ELECTRIC ROCKET ENGINES - ANALYSIS OF THE IMPACT ON THE OWN EXTERNAL ATMOSPHERE OF THE SPACECRAFT

Abstract

Purpose: assessment of the factors of the impact of the products of the work of the ERE on the own external atmosphere of the spacecraft Methods: innovative system for measuring plasma concentration and parameters of solid charged particles Results: equipment design, basic equasions Conclusions: further elaboration of the issue is required

 

 

Full Text

В настоящее время для осуществления межпланетных перелетов и коррекции орбиты космических аппаратов [1] представляются перспективными электроракетные двигатели. Обладая малым удельным импульсом тяги, ЭРД способны придать космическому аппарату высокую скорость за счет относительно низкого расхода газа и высокого КПД (до 80%) в купе с большой наработкой на отказ. Наличие загрязнения собственной атмосферы КА доказано в [2]. Для прогнозирования воздействия продуктов работы ЭРД на отдельные конструкционные элементы требуется разработка методов исследования прототипов двигателей в лабораторных условиях. Помимо этого, наличие техногенных частиц в собственной внешней атмосфере (СВА) космического аппарата может исказить результаты исследований, дав ложное представление о составе межпланетного пространства. Представление о поведении пылевой плазмы, а так же о заряженных пылевых частицах приведено в [3].

            Наличие факела двигателя, состоящего из квазинейтральной плазмы накладывает определенные ограничения на срок службы некоторых конструкционных элементов космических аппаратов. Понятие квазинейтральной плазмы подразумевает равенство количества зарядов с противоположными знаками в составе плазмы, однако не гарантирует полной их рекомбинации. Кроме этого, превалирование одной одной из составляющих, электронной или ионной может приводить к нежелательным эффектам.

Так, в [4] приводятся результаты исследования воздействия потока электронов на материалы солнечных панелей. При электронном облучении стекла К-208 происходят два типа разрядов: первый – «разряд микровыступ на поверхности стекла – окружающая ионизованная атмосфера», приводящий к увеличению числа и размеров микровыступов; второй – разряд, развивающийся по поверхности стекла с образованием на ней разрядных каналов. Оба разряда сопровождаются выбросом в окружающее пространство плазмы и изменениями структуры поверхности стекла.

            Попадание плазменных струй на поверхность элементов КА вызывают их эрозию, а в результате осаждения продуктов эрозии на поверхность элементов КА образуются загрязняющие пленки [1].

Условия и методы исследования

            Для проведения исследований связанных с продуктами работы ЭРД требуется установка, способная определять основные параметры составляющих факела ЭРД с минимальным влиянием на них. Требование к минимизации воздействия узлов измерителей следует из второго назначения установки – проведение разрушающего контроля элементов КА под воздействием продуктов работы конкретных образцов электрических ракетных двигателей.

            Предлагаемая экспериментальная установка (рис. 1) может быть условно разделена на три основные части: сборщик низкоскоростных частиц (рис. 1, поз. 2), электронно-ионный сепаратор–измеритель (рис. 1, поз. 3 и 4) и времяпролетный детектор пылевых частиц с несобирающими нитями (рис. 1, поз 5).

Рис. 1. Экспериментальная установка исследования состава факела ЭРД

            Исследуемый двигатель (поз. 1) создает продукты выброса, возможные траектории которых показаны пунктирными стрелками. Сборщик низкоскоростных частиц 2 предназначен для отделения для отделения ионов и пылевых частиц, обладающих малыми скоростями и не имеющих энергии, достаточной для прохождения последующих стадий установки от основного потока ионов и пыли.

Сепаратор измеритель (поз. 3 и 4) состоит из системы аксиальных электродов в виде цилиндрической поверхности и стержня, и предназначен для разделения нерекомбинировавшей квазинейтральной плазмы на ионы и электроны, а так же для измерения их количества, исходя из тока. К данным электродам прикладываются потенциалы такие, что для известной скорости истечения плазмы из сопла (20..50 км/с [1]) производится полный сбор электронов и ионов без учета рекомбинации.

Времяпролетный детектор заряженных частиц 5 предназначен для определения параметров быстролетящих частиц без их сбора и состоит из нескольких плоских сеток, состоящих из параллельных нитей (рис. 2). Данное устройство использует эффект электростатической индукции и предназначено для определения наличия заряженных частиц, подсчета их количества, измерения координаты их пролета, размеров и скорости. Старт-сетка (поз. 1) предназначена для запуска системы измерения параметров частицы. X-сетка (поз. 2) определяет относительное время пролета частицы через нее по пику импульса напряжения, наводимого на пару нитей, а так же определяет абсциссу точки-проекции траектории пролета частицы на плоскость мишени. Y-сетка (поз. 3) определяет время пролета частицы через нее и ординату точки-проекции траектории, а так же закрывает временное окно измерения.

Рис. 2 Конструкция сеток времяпролетного детектора с несобирающими нитями

            Для определения механических и электрических параметров времяпролетного детектора требуется определить индуцированный на каждую нить из пары соседних, электрический заряд. Применив для этого свойство обратимости электрического поля как потенциального, определим потенциал, индуцированный заряженной нитью на сферическую частицу [5] радиусом R₀.

(1)

где σ – поверхностная плотность заряда сферы, Θ и ψ – переменные интегрирования в сферических координатах. Электрическое изображение заряженной сферы лежит на расстоянии

(2)

где r₀₁ – расстояние от условного элементарного заряда электрического изображения до центра сферы. Учитывая, что

(3)

где τ – линейная плотность заряда, а R_r1 – радиус нити, и разместив в центре сферы точечный заряд, равный заряду нити-изображения, взятому с противоположным знаком, получим

(4)

Поверхностная плотность заряда сферы находится по формуле (5):

(5)

Для расчета электростатической индукции необходимо разложить потенциалы исходной нити и нити-изображения в сферической системе координат, связанной с декартовой и центром сферы. Для этого в [6] приводятся соотношения, основанные на теоремах сложения, приведенных в [7]. С учетом (3) выражения имеют вид:

	(6)
	(7)

Из геометрических соображений следует, что , где a – расстояние до элементарного заряда нити. В этом случае выражения (6) и (7) принимают вид

	(8)
	(9)

Потенциал на поверхности сферы вычисляется путем сложения потенциалов источников поля (4), (7) и (8):

(10)

Потенциал сферы постоянный, из чего следует, что выражения (4), (8) и (9) соответствуют одному из граничных условий задачи.

            Поверхностная плотность заряда сферы с учетом (4), (8) и (9) выражается как

(11)

            Полный заряд сферы вычисляется исходя из (1) с учетом необходимых подстановок. Интегрирование с учетом свойств полинома Лежандра [8] показывает, что выражения (4), (8), (9), (11) соответствуют граничным условиям и верно описывают результат электростатической индукции на круговой нити от заряженной сферы.

            Продифференцировав полный заряд, индуцированный на нить по расстоянию как функции времени, получим уравнение для тока. Для дальнейшего использования данного принципа требуется знать спектральный состав данного импульса. Выражение (1) в аналитическом виде берется сложно, однако из вида функции можно сделать о неразрывности функции конечного импульса. Поэтому для упрощения проектирования измерителей такого типа достаточно ограничиться импульсом прямоугольной формы, амплитудой (12) меньшей или равной минимально возможному потенциалу и длительностью, соответствующей длительности нахождения частицы в зоне чувствительности измерителя (13):

	(12)
	(13)

            где q – полный заряд частицы, R – расстояние от центра частицы до центра нити детектора, x – координата прохождения частицы относительно нити детектора, d – расстояние между нитями детектора, v – скорость частицы.

Оцифровка данного сигнала производится согласно теореме Котельникова [9].

Результаты и их обсуждение

Исходя из предложенных методик исследования параметров потока заряженных пылевых микрочастиц предлагается следующая функциональная схема канала измерительной установки.

Рис.3 Функциональная схема канала измерителя параметров заряженных микрочастиц

            Каждая из нитей сетки представляет собой отдельный канал измерения. По номеру двух сработавших соседних каналов можно грубо судить о координате прохождения частицей сетки детектора, а по параметрам импульса узнать координату точно.

Для раскрытия неопределенности по заряду и скорости частицы, скорость измеряется второй раз по промежутку времени между взаимодействием частицы с первой и второй сеткой соответственно.

Операционный усилитель (ОУ) обеспечивает заданную чувствительность и повышает входной импеданс сеточного преобразователя. Аналогово-цифровой преобразователь формирует выборки из усиленного аналогового напряжения и представляет их в удобном для цифрового вычислителя виде. Для обеспечения точных измерений без ложных срабатываний цифровой вычислитель производит калибровку каналов при помощи управления цифровыми потенциометрами, задающими коэффициент усиления и смещение нуля операционных усилителей. Процесс калибровки заключается в повышении коэффициента усиления операционных усилителей до получения срабатывания АЦП величиной в один-два младших разрядов под воздействием внешних электромагнитных помех. После этого производится установка нуля до момента отсутствия постоянных срабатываний АЦП. После этого производится калибровка следующего канала.

Заключение

            Данная установка позволяет проводить измерение вышеописанных параметров микрочастиц в лабораторных условиях без вмешательства в их поток, что позволяет проводить испытания инновационных материалов конструкций КА с контролем параметров потока микрочастиц.