Особенности испытания электрореактивных движителей различных типов

Материалы лекции № 4.9.

Особенности испытания электрореактивных движителей различных типов.

*****

Испытания электротермических двигателей (ЭТД). Испытания стационарных плазменных электромагнитных двигателей (ЭМД). Испытания импульсных двигателей (ЭМД). Испытания ионных электростатических двигателей (ЭСД). Определение тяги ЭРД при летно-космических испытаниях. Особенности проведения летно-космических испытаний ЭРДУ (Летно-космические испытания ионного электростатического двигателя. Испытания ионного ЭСД по программе «Ион». Испытания стационарного плазменного двигателя (СПД) на ИСЗ «Метеор» и «Метеор – природа». Летно-космические испытания импульсных ЭРД. Испытания ЭРДУ со стационарным сильноточным торцевым плазменным ЭРД. Испытания ЯЭУ.).

*****

4.9.1. Испытания электротермических двигателей (ЭТД)

На рисунке 4.9.1.показан стенд для испытания ЭТД. Испытуемый двигатель смонтирован внутри горизонтально расположенной вакуумной камеры на двух медных кронштейнах (которые одновременно являются токопроводами). При испытании давление в вакуумной камере 66,7…133,3 Па. ЭТД питается постоянным током от выпрямителя с регулятором. Измерение электрических параметров осуществляется при помощи амперметра и вольтметра. Система подачи рабочего тела состоит из баллона с газом высокого давления, редуктора давления, термостата-теплообменника и т. н. критического расходомера. Теплообменник снабжен термометром, а расходомер имеет манометр для определения давления газа перед дроссельной шайбой.

Тяга измеряется тензодатчиком, который включен в сбалансированный мост. Точность измерения тяги около ±1%. В вакуумной камере установлен также водоохлаждаемый калориметр.

4.9.2. Испытания стационарных плазменных электромагнитных двигателей (ЭМД)

ЭМД чувствительны к давлению остаточного газа в вакуумной камере, поскольку этот газ может попасть в область дугового разряда и электромагнитного ускорения. При этом возникают следующие эффекты:

1.  остаточный газ может ускоряться вместе с рабочим телом;

2.  ионизация остаточного газа влияет на концентрацию заряженных частиц;

3. потоки диффузии нейтральных частиц изменяются по сравнению с условиями в космосе;

4.  остаточный газ воздействует на процессы рекомбинации ионов и электронов вне области электрического разряда.

Установлено, что главными влияющими факторами являются первые два.

Максимально допустимое давление остаточного газа в вакуумной камере определяют из условия, чтобы скорость диффузии (захвата) остаточного газа была бы мала по сравнению со скоростью подачи рабочего тела.

Экспериментально установлено, что при испытании ЭМД изменение давления в вакуумной камере от 1,3 до 1,3_*10^-3 Па (при использовании в качестве рабочего тела водорода) и от 1,3_*10^-1Па до 1,3_*10^-5 Па (при использовании лития) практически не влияет на значение тяги. Приведенные оценки справедливы для ЭМД, у которых процессы электромагнитного ускорения плазмы осуществляются в тракте двигателя, т. е. отсутствуют токи выноса.

С увеличением рабочего тока чувствительность ЭМД к влиянию остаточного газа возрастает. Известно, что в сильноточном ускорителе распределение токов таково, что процесс ускорения плазмы происходит снаружи, т. е. в зоне токов выноса. Оценки показывают, что при расходе рабочего тела 10^-2 г/с для исключения заметного влияния рециркуляции остаточного газа через тракт ускорителя давление в вакуумной камере не должно превышать 1,3_*10^-3 Па. Это условие требует применения стендовой вакуумной системы откачки, обладающей высокими характеристиками (по быстроте откачки, величине предельного вакуума, отсутствию проникновения паров веществ, на которых работают высоковакуумные насосы, в рабочий объем вакуумной камеры и т. д.).

Уменьшение расхода рабочего тела ведет к повышенной эрозии электродов ЭМД, что также приводит к искажению результатов. Например, при испытании сильноточного ускорителя плазмы, работавшего на водороде, была обнаружена сильная зависимость скорости эрозии вольфрамовых электродов от давления в камере: при давлении в камере ЭМД 80 Па скорость эрозии составила 0,8 мг/ч, а при уменьшении давления до 6,65 Па скорость эрозии возросла до 500 мг/ч. Неучет рециркуляции остаточного газа и эрозии электродов ЭМД приводит к завышению измеренных при испытаниях значений удельного импульса и тягового к. п. д. по сравнению с их действительными значениями.

Использование конденсирующихся рабочих тел, например щелочных металлов, облегчает требования к вакуумным системам испытательных стендов. Щелочные металлы обладают минимальными потенциалами ионизации, что обеспечивает возможность получения высоких к. п. д. ЭМД. Применение в качестве рабочего тела ЭМД лития, который обладает малой атомной массой, позволяет осуществить высокоэффективное ускорение плазмы при минимальном разрядном напряжении. При работе на литии при скорости истечения 5_*10⁴ м/с тяговый к. п. д. составил 0,5…0,6.