Перспективные схемы электрических ракетных двигателей на основе высокочастотного разряда

Широкий спектр миссий современных космических аппаратов (КА) требует наличия на их борту двигателя, способного создавать реактивную струю с высоким удельным импульсом — величиной, характеризующей скорость истечения частиц в реактивной струе. Для космических аппаратов на орбите Земли оптимальные значения скорости истечения лежат в приблизительном диапазоне от 10 до 30 км/с. Максимальная скорость истечения, получаемая при помощи химических ракетных двигателей, основанных на окислении топливной смеси, не превышает 5 км/с. По этой причине основными двигателями, используемыми на КА, являются электрические ракетные двигатели (ЭРД), где высокие скорости истечения достигаются ионизацией рабочего газа и последующим ускорением ионов электромагнитным полем.

На сегодняшний день практически все используемые в космических миссиях ЭРД представлены двумя типами: сеточными ионными двигателями (ИД) и стационарными плазменными двигателями (СПД). Первые основаны на ионизации рабочего газа в газоразрядной камере и последующем ускорении ионов посредством системы перфорированных электродов, находящихся под постоянным напряжением.

Вид малого ИД во время работы приведён на рис. 1. Вторые используют скрещенные поля — продольное электрическое и радиальное магнитное — в тороидальном разрядном канале для организации замкнутого азимутального дрейфа электронов и создания постоянного электрического поля внутри самой плазмы, которое, в свою очередь, производит требуемое ускорение ионов. Обе технологии прошли длительный путь развития с момента первых орбитальных испытаний в 1970-х, а устройства на основе этих технологий были доведены до высокой степени технического совершенства.

Рис. 1. ВЧ ионный двигатель с диаметром газоразрядной камеры 5 см во время работы. Светлые пятна — блики на стекле смотрового окна вакуумной камеры

В последнюю декаду развитие космической отрасли шло нарастающими темпами, однако особо быстро развивалось направление малых космических аппаратов (50 кг и менее) на низких околоземных орбитах высотой 500 км над уровнем моря и меньше. Популярность подобных малых спутников кроется в их коммерческой привлекательности, а также в преимуществах низких орбит для ряда задач, таких как телекоммуникация, геолокация, наблюдение за поверхностью Земли, сбор геодезических данных (например, возмущений гравитационного поля) и т.п. Для проведения манёвров в рамках типичных задач ориентирования и коррекции орбиты, а также для компенсации торможения КА верхними слоями атмосферы двигатель является обязательным компонентом. Таким образом, развитие области малых низкоорбитальных КА поставило перед разработчиками ЭРД ряд новых задач, а именно: миниатюризация, масштабирование в сторону малых мощностей, возможность стабильной и эффективной работы двигателя в условиях присутствия газов верхних слоёв атмосферы, возможность захвата и использования этих газов в качестве рабочего тела. В силу химической активности газов верхних слоёв атмосферы использование стандартных эмитирующих катодов (например, на основе гексаборида лантана) становится невозможным, что существенно снижает привлекательность устройств на основе разряда постоянного тока. СВЧ-устройства для эффективной ионизации рабочего газа требуют высоких значений магнитного поля для реализации электронно-циклотронного резонанса и эффективной ионизации рабочего тела, что также является проблемой. По этой причине очевидным решением является создание маломощных ВЧ ИД. Масштабирование ЭРД в сторону малых мощностей сопряжено с существенными потерями в параметрах эффективности, что заставляет научные коллективы, занимающиеся этой тематикой, искать новые способы организации рабочего процесса в ЭРД.

На кафедре физической электроники ведутся работы по исследованию физических процессов, происходящих в малых ВЧ ИД. Предложена схема повышения вложения ВЧ- мощности в разрядную плазму посредством создания в газоразрядной камере продольного магнитного поля с величиной, соответствующей условиям возбуждения косых Ленгмюровских и геликонных волн. Это позволяет увеличить извлекаемый из плазмы ионный ток при фиксированной мощности, подводимой к разряду, что иллюстрирует рис. 2.

Также рассматривается возможность использования импульсного режима работы ВЧ ИД таким образом, чтобы разрядная плазма значительную часть времени пребывала в процессе деионизации, который характеризуется малыми температурами электронов и, соответственно, малыми тепловыми потерями за счёт выноса заряженных частиц на стенки газоразрядной камеры. Альтернативной перспективной схемой двигателя для малых КА является маломощный геликонный двигатель, основанный на индуктивном ВЧ-разряде в цилиндрической камере с продольным магнитным полем.

Рис. 2. Зависимость ионного тока I+, создаваемого ВЧ ИД, от величины магнитного поля B при фиксированной ВЧ-мощности источника питания и расходе рабочего газа

В отличие от ИД и СПД, которые создают ускоренный ионный пучок, требующий нейтрализации электронами при помощи стороннего катода-компенсатора, геликонный двигатель позволяет получить сразу скомпенсированный поток заряженных частиц.

Физические процессы, приводящие к ускорению электронов и ионов, активно исследуются и всё ещё не до конца ясны. Помимо скомпенсированного потока сильной чертой подобного устройства является отсутствие каких-либо металлических поверхностей, контактирующих с плазмой, что открывает возможность работы на химически активных газах. Существенным недостатком этой схемы является низкая энергия истекающих ионов по сравнению с устоявшимися схемами ВЧ ИД и СПД (50–70 эВ по сравнению с 500–1500 эВ). Естественно, основные направления проводящихся на кафедре физической электроники исследований по этой тематике направлены на поиск возможностей наращивания энергии ионов при сохранении преимуществ разрядной схемы. Впрочем, низкие энергии ионов отлично подходят для использования подобного двигателя как источника ионов для ассистирования при нанесении тонких плёнок (рис. 3). СПД обычно не рассматривается как кандидат на роль двигателя для малых низкоорбитальных КА, так как плохо масштабируется в сторону малых мощностей и требует эффективный эмитирующий катод, что вызывает проблемы при наличии остаточных газов верхних слоёв атмосферы.

Рис. 3. Совместная работа магнетрона (слева) с геликонным источником (справа, видна лишь спазменная струя) в процессе нанесения тонкой плёнки с ионным ассистированием. Поток плазмы, создаваемый геликонным источником, изгибается при помощи электромагнитов для направления на запыляемый образец

При этом используемая в СПД схема ускорения ионов без сложной и дорогой системы перфорированных электродов — ускорения прямо в толще плазмы, является чрезвычайно эффективной и интересной. По этой причине нашим научным коллективом проводятся работы по созданию двигателя с геометрией СПД на основе емкостного ВЧ-разряда. В подобном разряде существует принципиальная возможность создания плазмы, имеющей высокий средний за период ВЧ-колебаний потенциал относительно заземлённого электрода. Ионы, покидая такую плазму, будут приобретать энергию, соответствующую этому потенциалу. Вдобавок емкостной ВЧ-разряд способен замыкаться токами смещения,

что позволяет вынести электроды за пределы разрядного канала и получить скомпенсированный электронами поток ионов на выходе из двигателя.

Однако практическая реализация такого устройства сопряжена с серьёзными техническими трудностями и тесно связана с необходимостью изучения достаточно сложного разряда — емкостного ВЧ-разряда во внешнем радиальном магнитном поле.

Инженер Задириев И.И., кафедра физической электроники

Примечание Главного редактора: Задириев И.И — один из победителей молодежных конкурсов 2021 года Президентской программы.