Научные основы повышения эффективности ионно-плазменных двигателей на основе импульсного дугового разряда

Целью проекта является создание научных основ для разработки ионно-плазменных двигателей импульсно-периодического режима работы для автоматических космических аппаратов. Используемые в настоящее время плазменные двигатели для удержания и коррекции орбиты космических аппаратов диапазона масс от микроспутников (до 100 кг) до крупных автоматических станций (более 1000 кг) в своём большинстве основаны на стационарном ускорителе плазмы с замкнутым дрейфом электронов и его модификациях. Двигатели данного типа обладают высоким тяговым к.п.д. (порядка 50%) и удельным импульсом тяги свыше 1000 с (на лабораторных образцах двигателей импульс тяги приближается к значению 3000 с). Данные двигатели перспективны для относительно больших аппаратов, но их масштабирование для малых комических аппаратов затруднено. Кроме того, в качестве рабочего тела в ионно-плазменных двигателях используется, как правило, газообразный ксенон, что менее эффективно, чем конденсированное вещество, с точки зрения минимизации массы двигателя. В этой связи представляет интерес использование жидкого металла в качестве рабочего тела, поскольку относительно легко осуществить доставку жидкости в область генерации плазмы, а также возможна генерация плазмы с ионами большой массы. Для использования в малых и сверхмалых космических аппаратах представляет интерес использование импульсных плазменных двигателей на основе вакуумной дуги или разряда по поверхности диэлектрика. Существенным недостатком таких двигателей является относительно малая эффективность преобразования электрической энергии в кинетическую энергию аппарата из-за значительных потерь на генерирование плазмы с низкими значениями осевой компонентны скорости истечения. Скорость истечения плазмы может быть увеличена дополнительным электромагнитным ускорением. В качестве источника плазмы большие потенциальные возможности предоставляет собой импульсный дуговой разряд, горящий на холодном катоде, в плазме которого максимальная направленная скорость ионов превышает звуковую скорость плазмы на порядок величины и достигает 20 км/с за счёт взрывоэмиссионных процессов в катодном пятне. Основным недостатком при прямом использовании такой плазмы для ускорения аппарата является значительная потеря рабочего тела на разлёт в радиальном направлении, как следствие, относительно малый к.п.д. В результате электродуговые двигатели обладают низким удельным импульсом, как правило, не превосходящим 1000 с, что ограничивает область их применения сверхмалыми аппаратами, где критичными параметрами являются простота конструкции и реализуемость в малых размерах и малом энергопотреблении. Эффективность дугового электрореактивного двигателя может быть увеличена индукционным ускорением плазменного сгустка, образовавшего в результате горения импульсного дугового разряда, как в течение времени горения разряда, так и после его завершения. Ожидаемым положительным эффектом реализации такого решения являются высокие значения удельного импульса, значительно превышающие уровень 3000 с, обеспечивая при этом рекордные для импульсных плазменных двигателей значения реактивной тяги, максимальные теоретические значения которой определяются выражением C_m*I_sp = 2/g, где C_m — эффективность преобразования энергии в тягу [Н/Вт], I_sp — удельный импульс реактивной тяги [с] (I_sp = v_e / g, где v_e — осевая компонента вектора скорости реактивной струи), g — ускорение свободного падения на поверхности Земли. Проект планируется выполнить в три этапа. На первом этапе будет создана численная модель ускорительной системы в среде Comsol MultiPhysics и выполнен анализ и оптимизация режимов генерации плазмы и её ускорения импульсным магнитным полем. Также планируется создание экспериментального стенда на базе существующей экспериментальной установки путём её укомплектование средствами диагностики плазменной струи. Будут выполнены эксперименты по диагностике плазмы вакуумной дуги на катодах из жидкого металла в сильноточных импульсных режимах горения разряда. На втором этапе будет изготовлен и исследованы характеристики экспериментального образца импульсного плазменного двигателя и выполнено сравнение с результатами численного моделирования. Будут продолжены эксперименты по диагностике плазмы вакуумной дуги на катодах из жидкого металла в сильноточных импульсных режимах горения разряда. На третьем этапе будет завершена отладка режимов генерации и ускорения плазмы в экспериментальном образце импульсного плазменного двигателя. Будут выполнены исследования с целью разработки подходов для масштабирования экспериментального прототипа двигателя с учётом диапазона космических аппаратов, для которых использование разработанного экспериментального образца двигателя представляет практический интерес.