ОТ «ГОРЯЧЕГО» К «ХОЛОДНОМУ» ЭЛЕКТРИЧЕСТВУ 2


Что же касается материала ионизующей поверхности ионного источника, то он должен обладать большой работой выхода, вследствие чего для этой цели могут быть использованы такие материалы, как платина (работа выхода 5,2 эв), рений (5,1 эв), иридий (4,9 эв), вольфрам (4,5 эв), а также углерод (4,87 эв). Очевидно, цезий может быть применен с любым из перечисленных материалов, а, например, натрий только с платиной. Следует отметить, однако, что максимальная работа выхода является важнейшим, но не единственным требованием к материалу ионизующей поверхности. И вот почему.

Что происходит с атомом рабочего вещества, превратившимся в ион на поверхности ионного источника? Очевидно, положительный ион будет удержан на этой поверхности под действием электростатических сил притяжения. Чтобы он покинул ионизующую поверхность (иначе ионы будут осаждаться на ней и ионный источник начнет работать все хуже, пока не перестанет действовать вовсе), нужно противопоставить энергии электростатического притяжения какую-либо иную, большую по величине энергию. Такой энергией должна стать тепловая энергия ионизующей поверхности, т. е. эта поверхность должна быть нагрета до высокой температуры, при которой адсорбированный на поверхности ион способен преодолеть силу электростатического притяжения и покинуть ее. Вот почему материал ионизующей поверхности должен обладать и высокой температурой плавления. Этому требованию вполне отвечают вольфрам (температура плавления 3370° С), рений (3167° С), углерод (3550° С). Вот почему наиболее часто предполагается применение именно этих веществ, в особенности вольфрама.

Интересно отметить, что выгодна вовсе не максимально возможная рабочая температура ионизующей поверхности, как это может показаться на первый взгляд. Верно, что с повышением этой температуры уменьшается вероятность осаждения ионов рабочего вещества на ионизующей поверхности. Однако одновременно начинает возрастать и число свободных электронов, эмитируемых этой поверхностью и частично нейтрализующих образующийся ионный поток. Поэтому существует оптимальная температура нагрева ионизующей поверхности, равная для сочетания цезий — вольфрам примерно 1200—1450° К (по Ленгмюру). Понижение рабочей температуры выгодно и в отношении уменьшения потерь энергии на излучение, которые при невыгодных условиях могут достигать 40—50% полезной энергии ионного пучка.

Как же можно представить себе устройство ионного источника, например цезий-вольфрамового? Прежде всего ясно, что перед введением в источник цезий должен быть испарен (другие рабочие вещества можно распылить какими-нибудь методами). Затем, очевидно, нужно добиться того, чтобы все атомы паров цезия обязательно столкнулись, по меньшей мере один раз, с поверхностью вольфрама. Ни один атом не должен ускользнуть от этого, ибо он приведет к снижению коэффициента ионизации, т. е. доли ионизованных атомов в их общем числе, и, следовательно, к ухудшению работы источника, его утяжелению и др. Чтобы добиться указанной цели, нужно, очевидно, всемерно развивать поверхности контакта вольфрама с цезием. Вот почему наибольшее применение получили пористые вольфрамовые перегородки, с порами диаметром не более 1—2 микронов (рис. 69).

Иногда применяются и густые плетеные вольфрамовые сетки. Опыт показал, что пары цезия, находящиеся под давлением 10-7 мм рт. ст., при соприкосновении с вольфрамовой поверхностью, имеющей температуру 1200 К, могут быть ионизованы на 99,5%. Нагрев вольфрамовой решетки (так называемого эмиттера, т. е. излучателя ионов) обычно осуществляется электрическим током, как и испарение цезия; впрочем, для последней цели используются и такие средства, как, например, обогрев горячим маслом ).

*) Paper IAS, № 59-103,

Мощным источником ионов могла бы служить, конечно, электрическая дуга, большим достоинством которой

Рис. 69. Схемы ионных двигателей с разными ионными источниками, а) источник с контактной ионизацией; б) с электронной бомбардировкой (ударной ионизацией).

1 — резервуар с рабочим веществом (сверху — с цезием, снизу — с ртутью) и устройством для его испарения, 2 — клапан регулирования подачи рабочего вещества в двигатель, з — пористый ионизатор (например, вольфрамовая нагреваемая пластина), 4 — фокусирующий электрод, 5 — ускоряющий электрод, 6 — замедляющий электрод, 7 — эмиттер электронов (н§йурализатор), 8 — ионный пучок, 9 — постоянный магнит, 10 — катод, 11 — силовые линии магнитного поля, 12 — плазма рабочего вещества (ртутная), 13 — траектории движения электронов в плазме, 14 — экран (Flight, 8. IV 1965).

является то, что она может обеспечить ионизацию любых веществ, а не только одних щелочных металлов. Однако такие источники пока не получили применения, хотя не

которые проведенные теоретические и экспериментальные исследования) показывают, что ионные двигатели, например, работающие на цезии, с подобным ионным источником могут обладать рекордно большим к. п. д. Однако возврат к «горячему» электричеству связан с присущими ему недостатками.

Между тем известны методы ионизации, обладающие указанным выше достоинством дуги, но без ее недостатков, — это методы газового разряда; не удивительно, что им в последнее время уделяется значительное внимание. Так, например, на состоявшейся в ноябре 1960 г. в США первой конференции специалистов Американского ракетного общества по электростатическим ракетным двигателям ионным источникам газового разряда было посвящено столько же докладов, как и контактным ионным источникам. А на конференции, организованной Американским Институтом астронавтики и аэронавтики в сентябре 1967 г., уже большая часть докладов была посвящена источникам не с контактной, а с объемной ионизацией, т. е. газоразрядным). В источниках с газовым разрядом может быть использован либо холодный, либо горячий катод — эмиттер электронов, но общим их отличием является то, что эмитированные в газовую среду электроны оказываются как бы запертыми в ловушке, образованной внешним магнитным полем. Вследствие этого они колеблются вдоль оси этой ловушки, двигаясь по спиралеобразным траекториям, и в результате частых столкновений с атомами рабочего вещества, заполняющего газоразрядную камеру, ионизуют их. Как видно, в этом случае ионизация происходит уже не на поверхности твердого ионного источника, а во всем объеме камеры; ионизация является объемной.

Так, в ионном источнике, использующем этот метод «колеблющихся электронов» и разработанном фирмой Юнайтед Эркрафт, электроны, эмитируемые катодом, к которому подведен переменный ток, колеблются в трубке между этим катодом и другим, расположенным на противоположном конце трубки и находящимся под тем же потенциалом. Между обоими катодами расположены ускоряющие анодные кольца. Выбитые (при столкновениях)

*) J. Spacecraft, X, 1967, т. 4, № 10, стр. 1282.

) AIAA Bull., 1967, т. 4, № 9, стр. 128.

с внешних орбит атомов рабочего вещества электроны попадают в ту же ловушку. Значительным дополнительным преимуществом такого ионного источника является принципиальная возможность избавиться от необходимости нейтрализации вытекающей струи — она представляет собой уже знакомую нам плазму, т. е. состоит из смеси ионов и электронов. Вместо второго катода может быть установлен экран, по отношению к которому ускоряющий электрод имеет значительный потенциал (2—10 кв), как это показано на рис. 69. В зарубежной литературе ионный источник этого типа часто называют кауфмановским (как и двигатель с ним) по имени американского ученого, впервые его предложившего; двигатели с таким источником за рубежом считаются для многих случаев применения наиболее перспективными; они, пожалуй, и наиболее доведены). При значениях удельного импульса в диапазоне 2000—4000 сек они обладают большим к. п. д., чем двигатели с контактным источником; при более высоких значениях удельного импульса преимущество в отношении к. п. д. за контактными двигателями.

Вариантом этого же метода ионизации с помощью электронной бомбардировки является метод, используемый в так называемом дуоплазматронном источнике. В этом источнике (рис. 70) электроны и плазма пропускаются через отверстие весьма малого диаметра с помощью мощного сжимающего магнитного поля. Вследствие большой плотности электронов в этом отверстии вероятность их столкновения с протекающими через него же атомами рабочего вещества очень высока, что делает высокой и эффективность процесса ионизации.

Исследуются также методы ионизации с помощью высокочастотных безэлектродных разрядов, электростатической индукции (для получения многомолекулярных заряженных частиц, подобно тому как это делается в промышленных ионизаторах) и др.

Но вот ионы образованы. Теперь нужно извлечь их из ионногр источника и ввести в тяговую камеру, т. е. в устройство для создания и ускорения ионного пучка — реактивной струи ионов, вытекающих из двигателя. Понятно, что плотность тока в этом пучке, т. е. сила тока *)

*) L'uftfahrttechnik. Raumfahrttechnik, XII, 1967, т. 13, № 12, стр. 303.

(число ионов), приходящаяся на 1 см его поперечного сечения, должна быть максимально возможной — это необходимо для уменьшения размеров и веса двигателя. Как показали опыты, хорошие источники с поверхностной ионизацией для ионных двигателей могут обеспечить плотность тока 5—10 миллиампер на кв. сантиметр. Установлено, что плотность ионного тока зависит главным образом от устройства, извлекающего ионы из источника и ускоряющего их. В частности, обязательным требованием

Магнитная

катушка

Ускоряющие

электроды

Замедляющие

электроды

Ферромагнитный корпус

Рис. 70. Схема дуоплазматронного ионного источника (SAE Journal, IV, 1961).

является сведение к минимуму (до величины не более сотых долей процента) числа ионов, попадающих на электроды и другие части ускорителя — все ионы должны сослужить полезную службу, создавая реактивную тягу. Вместе с тем, желательна примерно одинаковая скорость ионов, поступающих из ионного источника, иначе будет затруднено формирование ионного пучка.

Тяговая камера ионного двигателя обычно состоит из нескольких устройств — для ускорения ионов, фокусировки ионного пучка и др. Методы электростатического ускорения электрически заряженных частиц хорошо известны и применяются много лет в самых различных приборах и установках. В частности, на этом принципе устроены многочисленные электронные радиолампы различных типов, Многие ускорители элементарных частиц в лабораториях

ядерной физики и т. п. По существу, ускоряющее устройство ионного ракетного двигателя почти в точности аналогично обычным электронным лампам, применяющимся в радиоприемниках и телевизорах. Основное различие заключается лишь в том, что в первом случае ускоряются положительные ионы, а во втором-—электроны; метод ускорения один и тот же.

Так, простейшая ускоряющая система ионного двигателя повторяет по схеме простейшую радиолампу — диод. В ней также помимо источника заряженных частиц — эмиттера (в лампе это — раскаленная нить катода, в двигателе— ионный источник) имеется всего один электрод (в лампе это анод, в двигателе, естественно, катод). Создавая на этом электроде больший или меньший ускоряющий потенциал, можно сообщить ионам, вытягиваемым из ионного источника, большую или меньшую скорость истечения из тяговой камеры двигателя).

Но здесь возникает первая трудность. Чтобы источник ионов имел малые размеры и вес и работал эффективно, нужно интенсивно отбирать эмитируемые им ионы. Иначе в ионном источнике создастся пространственный положительный заряд (подобно тому как это говорилось выше об истечении ионов из тяговой камеры двигателя) и он станет работать неудовлетворительно. Чтобы отвод ионов из источника был энергичным, «вытягивающее» напряжение должно быть обязательно высоким — чем выше, тем лучше, по крайней мере 10—20 киловольт (кроме того, длина ускоряющего устройства тяговой камеры должна быть минимальной для уменьшения величины пространственного заряда). Однако при таком высоком потенциале ускоряющего электрода скорость истечения ионов из тяговой камеры двигателя будет также высокой, в сотни километров в секунду. Ну, что же, можно подумать, что это и не плохо, ведь таким образом будет достигнуто высокое значение удельного импульса, о чем не раз уже шла речь в нашей книге.

*) Самр „ собой разумеется, что возможно «обращение» такого ионного ускорителя; подобно тому как плазменный двигатель при обращении дает магнитогидродинамический генератор тока, обращение ионного двигателя приводит к так называемому электродинамическому генератору, имеющему, кстати сказать, тоже большие перспективы применения в космосе. Подобный генератор уже испытывался, в частности, фирмой Дженерал Электрик (Aviation Week. 18. XII. 1961).

Однако в действительности это не так. Ниже, в гл. 8, будет показано, что каждому данному межпланетному полету соответствует свое наивыгоднейшее значение удельного импульса. Дальнейшее его увеличение выше этого оптимального значения уже оказывается невыгодным и приводит к уменьшению полезного груза. Как показывает расчет, ускоряющему потенциалу 70 в соответствует скорость истечения ионов цезия 10 км/сек, потенциалу 6700 в — скорость истечения порядка 100 км/сек, а потенциалу 27 кв — скорость 200 км/сек, заведомо большая, чем оптимальная. Как же можно уменьшить эту скорость, не уменьшая вместе с тем «вытягивающего» напряжения, чтобы не ухудшить работу ионного источника?

Задача решается усложнением ускоряющего устройства— именно превращением его из «диода» в «триод», т. е. введением еще одного электрода. Этот дополнительный электрод устанавливается «ниже по потоку», чем первый, и является уже не ускоряющим, а замедляющим. С его помощью удается, не снижая «вытягивающего напряжения», уменьшить затем скорость ионов до значений, близких к оптимальному. Естественно, что удельный импульс определяется той скоростью, с которой ионы покидают двигатель, вне зависимости от всех промежуточных их ускорений или замедлений.

Дальнейшее усложнение тяговой камеры связано с необходимостью должного формирования пучка ионов, его фокусировки. Как уже указывалось выше, это необходимо для уменьшения потерь ионов на электродах и других элементах конструкции тяговой камеры; помимо того, удары ионов вызывают эрозию и износ этих элементов (в среднем каждый быстрый ион, ударяющийся о поверхность, выбивает из ее материала 5—10 атомов). Подобно тому как, например, в электронных микроскопах для фокусировки потока электронов применяется электроннооптическая система, в нашем случае для аналогичной цели используется «ионная оптика» *). Одним из возможных решений этой задачи является применение специальных фокусирующих электродов—экранов, расположенных перед ускоряющими электродами и заряженных положительно. Эти экраны отклоняют ионы так, чтобы исключить

) Известна и ионная микроскопия («Атомная техника за рубежом», И, 1968, Ns 2).

возможность их попадания на ускоряющие электроды, обеспечить равномерное поле скоростей ионов, и др. Следует отметить, что обычные известные типы фокусирующих систем занимают слишком много места, иногда в сто раз больше, чем сечение ионного пучка, что совершенно исключает их применение в ионных ракетных двигателях. Здесь понадобятся гораздо более компактные устройства.

Наконец, последней важнейшей частью ионного двигателя является, как указывалось выше, устройство для нейтрализации вытекающей ионной струи. Для достижения этой цели необходимо, очевидно, в реактивную струю, состоящую из положительных ионов, ввести строго определенное количество отрицательно заряженных частиц — электронов или отрицательных ионов. Особенно выгодным было бы применение источников отрицательных ионов примерно той же массы, что и в основном ионном пучке (рис. 71). Так, в опытах американской фирмы Эро-джет нейтрализация ионного пучка осуществлялась введением в него отрицательных ионов примерно той же массы и скорости, причем тяга двигателя возрастала иногда вдвое. Для этой цели применялась шестифтористая сера, ионы которой близки по массе к ионам цезия. Точка кипения этого вещества равна минус 63,8° С, его можно хранить при температуре жидкого азота.

Однако задача нейтрализации совсем не так проста, как может показаться, и долгое время казалась одной из наиболее трудных проблем создания ионных двигателей. При ее решении приходится учитывать многие факторы— устойчивость ионного и электронного пучков, затраты энергии, размеры эмиттера электронов или отрицательных ионов, сложные траектории их движения, необходимость осуществления нейтрализации на строго определенных небольших расстояниях (иначе произойдет быстрое расширение ионного пучка с потерей тяги) и др. Теоретически эту сложную задачу достаточно точно разрешить не удается (такое решение чрезвычайно затруднено), поэтому приходится идти на многочисленные сложные эксперименты в больших сложных вакуумных камерах (кстати, сказать, для отработки отдельных элементов двигателя, в частности, тяговых камер, в особенности многосекционных, а также систем нейтрализации, весьма полезными являются опыты с моделированием в электролитиче-

ских ваннах — закономерности этих процессов одинаковы). Определенные успехи в этой области уже получены, однако, как уже отмечалось выше, достаточно верные результаты эксперимента могут быть получены лишь при реальном космическом полете. И только тогда, когда начались испытания ионных двигателей именно в таком полете,

газообразного

галогена

Рис. 71. Схема секционного ионного двигателя с положительными и отрицательными ионами (фирма Локхид, США) (Luftfahrttechnik, I, 1961).

удалось установить, что проблема нейтрализации ионного пучка решена вполне удовлетворительно. Теперь уже она мало беспокоит ученых.

На рис. 72 показана одна из возможных схем ионного ракетного двигателя с ионным источником, состоящим из отдельных секций. Такая схема позволяет создавать ионные двигатели различной тяги путем простого изменения числа секций, т. е. совмещения в одном двигателе ряда ионных пучков, мощность каждого из которых ограничивается пространственным зарядом, лимитирующим силу

тока ионов (она равна примерно трем миллиамперам при напряжении 5000 в). В какой-то мере этот метод аналогичен созданию связок обычных термохимических ракетных двигателей. Очевидно, мощные ионные двигатели будут создаваться именно таким образом.

Судя по сказанному выше, типичный ионный двигатель должен состоять из следующих частей: бака с рабочим веществом, испарителя или распылителя этого вещества,

Рис. 72. Схема секционного ионного двигателя.

1 — бак с цезием; 2 — нагреватель; 3 — вентиль; 4 — цезий; 5 — радиационная защита; 6 — пористый вольфрамовый ионизатор; 7 — ускоряющий электрод; 8 — замедляющий электрод; 9 — нейтрализованный ионный пучок; 10 — электроны; 11 — нейтрализующий электрод приблизительно при нулевом потенциале (Design News, № 6, 17, 1962),

ионного источника, тяговых камер с ускоряющими *), замедляющими и фокусирующими устройствами (последние две части являются наиболее тяжелыми), эмиттеров электронов (например, раскаленных вольфрамовых нитей) или отрирательных ионов с целью нейтрализации ионного пучка, трубопроводов, системы регулирования и управле-

Ускоритель здесь играет роль реактивного сопла обычных термохимических двигателей, но обратите внимание на различие: сопло лишь делает организованным ранее беспорядочное движение молекул, не изменяя, по существу, скорости их движения, а ускоритель ионного двигателя разгоняет частицы практически от нулевой скорости.

ния. Кроме того, конечно, как для всякого электроракет-ного двигателя, должна иметься электросиловая установка, о которой будет идти речь в следующей главе.

Характеристики ионного ракетного двигателя в большой степени зависят от рода рабочего вещества, на котором он работает. Выше уже отмечалось одно требование к такому рабочему веществу — невысокий потенциал ионизации, что необходимо для использования контактного ионного источника. Кроме того, нужно учитывать следующее. Затрата энергии на ионизацию составляет даже в случае таких трудноионизуемых веществ, как гелий (энергия ионизации 24,5 эв), всего доли процента от той энергии, которая сообщается ионам в тяговой камере (5000—40000 эв). С этой точки зрения как будто значение энергии ионизации не столь существенно. Но чем она меньше, тем всегда будет проще и легче ионный источник, являющийся наиболее ответственной, частью двигателя.

Однако это требование не является единственным. Каким должен быть атомный (или молекулярный) вес рабочего вещества, большим или малым? Известно, например, что в случае термохимических двигателей молекулярный вес вытекающих газов должен быть минимально возможным, чтобы обеспечить максимальное значение удельного импульса. Сохраняется ли это требование для ионного двигателя?

Оказывается, здесь дело обстоит иначе. Тяга ионного двигателя определяется общей массой вытекающих ионов и электрической мощностью реактивной струи, так что от размеров вытекающих частиц она непосредственно не зависит. Если частицы легкие, т. е. с малым атомным весом, то их число должно быть большим (это значит, что сила тока будет значительной), а ускоряющее напряжение малым. Наоборот, в случае тяжелых частиц сила тока должна быть малой, а напряжение большим. Но это не значит, что масса частиц может быть какой угодно. Пре-жде всего, оказывается, что чем меньше масса частиц, тем больше по размерам и тяжелее тяговая камера, что связано с зависимостью плотности тока от массы частиц (она обратно пропорциональна ей). При большей силе тока понадобится устройство нескольких тяжелых ионных источников и тяговых камер. Это делает целесообразным использование тяжелых частиц. С другой стороны,

8 К* А. Гильзин 223

применение чрезмерно тяжелых частиц приведет к необходимости столь больших ускоряющих напряжений (более 40—50 кв), что возникает серьезная опасность электрического пробоя в тяговой камере»

Как видно по приводимому графику (рис. 73), чем больше масса ионов, тем, при том же ускоряющем напряжении, меньше скорость истечения и, следовательно,

Рис. 73. Зависимость скорости истечения рабочего вещества от величины ускоряющего напряжения и массы вытекающих частиц (S t u 1 i п -g е г, Seitz, Electrostatic Propulsion Systems for Space Vehicles, New York, I960).

удельный импульс. На том же графике выделена область наивыгоднейших значений удельного импульса для типичных космических полетов (2000—50000 сек) и практически используемых величин ускоряющего напряжения (1 — 60 кв). Через эту область проходят линии, соответствующие величине массы частиц от 10 до 5000, очевидно, такие частицы и будут пригодными для ионного двигателя.



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



Блондинка за углом смотреть фильм
Маленькая Вера смотреть фильм
Любовь и голуби смотреть фильм