Схема образования и ускорения ионов в ПИД

13

В ионных двигателях тяга создается в результате выброса в пространство положительно заряженных частиц рабочего тела (Xe) с последующей нейтрализацией их электронами. Ионные двигатели имеют максимальный удельный импульс (50-250км/c).

РТ из СХПРТ подается в газоразрядную камеру (ГРК), ионизируется в разряде, горящем между анодом и катодом. Из образовавшейся в объеме ГРК плазмы с помощью электродов ионно-оптической системы (ИОС) происходит отбор, фокусировка и ускорение ионов, которые создают тягу движителя.

Для улучшения процесса ионизации в объеме ГРК создают магнитное поле. Ионный пучок на выходе из движителя нейтрализуется электронами, истекающими из катода нейтрализатора. Каждый узел ПИД снабжен своим источником питания, требования к которому определяются характером работы этого узла.

В идеальном движителе экранный и ускоряющие электроды не участвуют в переносе зарядов, а только создают ускоряющее поле. Вместе с тем в реальных ПИД в результате бомбардировки ионами электродов все же возникают паразитные токи (ток утечки).

Электроны, эмитируемые катодом, ускоряются электрич полем (возник благодаря приложенному напряжению на разряде) и сталкиваются с атомами, ионами и другими электронами. В таком разряде низкого давления обычно наблюдаются большие средние длины свободного пробега электронов.

Импульсный режим работы ИПД позволяет за промежуток времени  с затратить на ускорение рабочего тела энергию порядка  Дж без возникновения опасных напряжений в элементах и узлах ИПД.

Рисунок 1.2 Схема образования и ускорения ионов в ПИД

(*- первичные электроны; i- ионы; e- вторичные электроны; М- метастабильные атомы.)

Столкновения между электронами или неупругие столкновения первичных электронов с атомами или ионами приводят к перераспределению их энергии. Электроны, получившиеся в процессе ионизации или термолизации первичных электронов рассматривают как вторичные, которые обычно имеют максвелловскую функцию распределения. В ПИД первичные и вторичные электроны находятся совместно. Хотя концентрация первичных электронов мала (меньше 10% суммарной концентрации электронов), около половины всех актов ионизации происходит обычно при их участии.

Ионизация атомов ксенона происходит из основного состояния, реже из метастабильных и совсем редко из остальных возбужденных состояний, так как время перехода меньше времени столкновений электрон – атом.

Движение ионов определяется главным образом распределением потенциала плазмы.

Ион – ионные столкновения не важны. Ионы ускоряются в основном в направлении градиента потенциала плазмы. Так как все ионы в заданной точке двигаются в одном общем направлении, столкновения между ионами должны мало влиять на движение иона. Часть ионов движется к ускоряющим электродам, пересекает плазменный слой около экранирующего электрода и, ускоряясь напряжением в несколько киловольт, покидает электроды ионно-оптической системы, создавая тягу движителя. Оставшийся поток ионов идет на анод, кожух, экранирующий электрод и катод. Достигая стенок, ионы ре комбинируют и превращаются в атомы, которые испаряются, образуя виртуальный источник рабочего тела.

14

Электронагревные движители, в которых электромагнитная энергия расходуется на нагрев теплообменного элемента, при прохождении через который за счет теплообмена нагревается рабочее вещество, истекающее затем через сопло.

В электронагревных ракетных двигателях (ЭНРД) используется метод повышения температуры рабочего тела за счет конвекции и лучеиспускания от электрических элементов сопротивления Теоретически удельный импульс ЭНРД при использовании в качестве рабочего тела водорода может достигать 10⁴ м/с. Несмотря на уменьшение к.п.д. с ростом температуры рабочего тела и удельного импульса, простота и надежность этих систем сделает их незаменимыми во многих случаях.

Разновидность электронагревных двигателей - двигатели, в которых тепло к рабочему телу подводится при помощи высокочастотного электрического поля. Рабочее тело нагревается сильным переменным электрическим полем, которое приводит к безэлектродному разряду. Такой нагрев определяется электрическим сопротивлением.