Космические исследования, 2019, T

Космические исследования, 2019, T. 57, № 5, стр. 323-331

Разработка стационарного плазменного двигателя СПД-100ВТ с повышенной тягой

В. П. Ким 1, * , Р. Ю. Гниздор 2 , Д. П. Грдличко 1 , В. С. Захарченко 1 , М. В. Коркунов 2 , Д. В. Меркурьев 1 , Г. А. Попов 1 , Е. А. Шилов 1

1 Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики МАИ
г. Москва, Россия

2 ОКБ Факел
г. Калининград, Россия

Поступила в редакцию 25.03.2019
После доработки 12.04.2019
Принята к публикации 25.04.2019

В статье представлены результаты исследования возможности разработки стационарного плазменного двигателя с повышенной тягой. Это исследование выполнено в научно-исследовательском институте прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института (НИИПМЭ МАИ) совместно с опытным конструкторским бюро “Факел” (ОКБ “Факел”) в качестве индустриального партнера. В процессе исследования были разработаны и исследованы лабораторная модель, макетный и экспериментальный образцы двигателя СПД-100ВТ, имеющего основные размеры, близкие к размерам хорошо известного серийного двигателя СПД-100, производимого ОКБ “Факел” и успешно работающего в космосе. В результате показано, что двигатель СПД-100ВТ может эффективно и длительное время работать с разрядным напряжением 300 В и мощностью до 3 кВт, обеспечивая получение тяги, более чем вдвое превышающей тягу двигателя СПД-100, тягового коэффициента полезного действия выше 60% и удельного импульса тяги – более 1800 с. Увеличение тяги достигнуто увеличением расхода ксенона через двигатель, а повышение эффективности его работы – модернизацией магнитной системы и геометрии ускорительного канала двигателя.

ВВЕДЕНИЕ

Стационарные плазменные двигатели (СПД) нашли широкое применение в космической технике. Чаще всего двигательные установки на основе СПД используют в системах коррекции орбит КА [1]. Использовались они и для перемещения исследовательского КА с околоземной на окололунную орбиту по Европейской программе Smart 1, а также для довыведения КА на геостационарную орбиту (ГСО), обеспечивая увеличение массы КА на названной орбите до 1.5–2 раз [2]. В России такая задача была впервые решена при выведении на ГСО двух ГКА увеличенной массы Экспресс АМ5/АМ6 с использованием двигателей СПД-100 систем коррекции названных КА (Экспресс – АМ6. [Электронный ресурс] // Материалы с официального сайта АО “Информационные спутниковые системы” имени академика М.Ф. Решетнева. URL; http://www.iss-reshetnev.ru/projects дата обращения: 10.10.2018). Планируется и дальнейшее регулярное применение двигателей типа СПД-100 и СПД-140 разработки ОКБ “Факел” для решения этой задачи.

В США с 2010 г. СПД типа BPT 4000 используются для довыведения тяжелых КА на ГСО по программе AEHF [2]. С 2017 году начато решение задачи довыведения КА на ГСО и в Европе, когда КА Eutelsat 172B был штатно выведен на ГСО с помощью российских двигателей ОКБ “Факел” типа СПД-140 (ОКБ “Факел”. Новый рекорд довыведения КА Eutelsat двигателями SPT-140 // официальный сайт Государственной корпорации по космической деятельности “Роскосмос”. URL; https://www.roscosmos.ru/24291/, дата обращения: 10.10.2018).

Использование серийного двигателя СПД-100 с тягой в штатном режиме 83 мН ведет к длительному сроку довыведения, что нежелательно по целому ряду причин. В то же время использование СПД-140 (тяга – 280 мН) во многих случаях нецелесообразно из-за большой потребляемой мощности, составляющей 4.5 кВт на его номинальном режиме работы. А для работы с меньшими мощностями он будет переразмерен. Таким образом, представляется актуальной разработка двигателя с тягой в диапазоне (170–190) мН, потребляемой мощностью до 3 кВт, обладающим привлекательными массогабаритными характеристиками. С учетом изложенного были исследованы возможности создания такого двигателя, и полученные при этом результаты приведены в данной статье.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ РАБОТЫ СПД НА РЕЖИМАХ РАБОТЫ С ПОВЫШЕННОЙ ТЯГОЙ

Тяга двигателя может быть увеличена либо за счет увеличения, скорости истечения, либо массового расхода рабочего вещества (РВ) через двигатель. Увеличение скорости приводит к увеличению энергетической цены тяги и при фиксированной мощности, выделяемой на работу ДУ довыведения не дает возможности увеличить тягу. Поэтому самым простым способом увеличения тяги является повышение массового расхода РВ через двигатель. Однако при сохранении типоразмера двигателя встает вопрос обеспечения требуемого его ресурса, т.к. с увеличением расхода можно ожидать увеличения количества ускоренных ионов, бомбардирующих стенки ускорительного канала, и увеличения скоростей их износа, ограничивающих ресурс современных СПД.

Анализ показывает [3], что существует возможность существенно увеличить мощность и тягу двигателя за счет увеличения расхода РВ без значительного увеличения его основных размеров и при сохранении большого ресурса. Добиться поставленной цели можно, управляя так называемым слоем ионизации и ускорения (СИУ), в котором происходит основное падение потенциала в разряде СПД. Положение СИУ в разряде определяет потоки ионов на стенки и формирование зон эрозии и зависит от распределения магнитного поля [3–5]. Из упомянутых работ следует, что, чем больше градиент магнитного поля вдоль канала, тем меньше протяженность СИУ и, следовательно, зон эрозии. Поэтому желательно организовать высокую скорость нарастания магнитной индукции, а максимум распределения магнитной индукции вдоль срединной поверхности канала максимально вынести за плоскость полюсов магнитной системы [3–5]. И одной из задач данной работы являлось подтверждение реализуемости отмеченных возможностей.

Еще одним важным рычагом является расширение выходной части ускорительного канала путем профилирования стенок, например, в виде конических поверхностей [3, 6]. Основной идеей данного изменения является желание снизить потери ионов на стенках, а также тепловыделение на них. Такая возможность подтверждается тем, что за первые 1300–1500 ч наработки серийного СПД-100 стенки выходной части канала приобретают вследствие их эрозии форму, близкую к конической с углом раскрытия порядка 45° на сторону [7]. При этом скорость износа снижается в несколько раз по сравнению с начальной, что свидетельствует о существенном уменьшении потока ускоренных ионов на стенки и выделяющейся на них энергии. Поэтому предварительное расширение выходной части ускорительного канала в зоне эрозии позволяет с самого начала работы двигателя снизить потоки ионов и энергии на стенки, обеспечивая возможность работы двигателя при повышенных расходах через ускорительный канал и мощностях разряда.

Третья возможность управления СИУ – это увеличение плотности расхода через ускорительный канал [3, 5, 6]. Так, в работе [6] показано, что известная формула Жаринова для толщины СИУ [8], отражающая условие стационарного его существования, может использоваться не только для качественных оценок, но и для количественных расчетов в следующем виде:

Из этой формулы следует, что при увеличении плотности расхода РВ в 2 раза можно уменьшить толщину СИУ примерно в 1.5 раза (рис. 1, [6]), т.е. достаточно значительно.

Рис. 1.

Следовательно, увеличивая расход и уменьшая толщину СИУ в совокупности с рассмотренными выше вынесением максимума распределения магнитной индукции и расширением канала за пределами плоскости полюсов, можно уложить весь СИУ и зоны эрозии стенок полностью в расширенной части ускорительного канала [3]. Это дает возможность увеличивать ресурс двигателя за счет увеличения запасов на износ стенок в свободном пространстве за пределами плоскости полюсов магнитной системы. Кроме того, предполагалось, что удастся добиться большего смещения СИУ из канала и обеспечить снижение общих потерь ионов и энергии на стенках канала, и что увеличение плотности расхода РВ позволит компенсировать негативное влияние снижения плотности расхода при расширении канала на вероятность ионизации атомов в слое и на степень переработки потока атомов в ионы (коэффициент использования РВ).

Таким образом, имеются предпосылки для создания достаточно эффективного СПД, способного длительно работать со значительно повышенной тягой по сравнению с существующими двигателями. И основной задачей данной работы являлось исследование реализуемости названных предпосылок.

2. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТКИ ДВИГАТЕЛЯ СПД-100ВТ

С учетом приведенных выше положений была модернизирована разработанная в НИИПМЭ МАИ лабораторная модель СПД-100ПМ [9] масштаба известного двигателя СПД-100 для обеспечения эффективной ее работы при повышенных мощностях разряда и получения тяги более 170 мН при используемом в современных двигателях СПД-100 и СПД-140 разрядном напряжении 300В и разрядной мощности 3 кВт без перегрева элементов ее конструкции. В результате исследования характеристик этой модели была подтверждена эффективность разработанного полхода к управлению процессами в двигателе, изложенными в разделе 1 данной статьи, и подтверждена возможность получения требуемой тяги без перегрева элементов конструкции двигателя. В частности, было показано, что на режимах работы с повышенной тягой в 2 раза тягой по сравнению с тягой серийного двигателя СПД-100 СИУ может быть полностью вынесен в расширенную за пределами полюсов магнитной системы выходную часть ускорительного канала [10]. При этом тяговый КПД ее составил более 60%, а среднемассовая скорость истечения РВ из него – более 18 км/с (удельный импульс тяги $<_<>>$ более 1800 с). Поэтому на основе названной модели были разработаны макетный и экспериментальный образцы двигателя СПД-100ВТ с основными размерами, близкими к размерам двигателя СПД-100 (рис. 2). В названных образцах было реализовано следующее:

Рис. 2.

(а) Картина силовых линий в макетном образце (1 – сечение с максимальной индукцией магнитного поля, 2 – плоскость наружного полюса, $a1 geqslant 0,$ $a2 geqslant 0$ ) и (б) фото макетного образца двигателя СПД-100ВТ.

• Изменена конструкция магнитной системы по сравнению с исходным ее вариантом в модели СПД-100ПМ с тем, чтобы получалась достаточно высокая скорость нарастания индукции в выходном направлении и максимум распределения магнитной индукции вдоль срединной поверхности ускорительного канала был смещен за плоскость полюсов магнитной системы больше, чем в двигателе СПД-100 (рис. 2а).

• Сужен ускорительный канал в межполюсном зазоре с целью повышения плотности потока РВ в ускорительном канале, а выходная часть стенок ускорительного канала выполнена со стенками конической формы и расширением канала на угол 45° по каждой стенке, начиная от плоскости полюсов магнитной системы (рис. 2а). Такое расширение дает возможность сравнивать получающиеся скорости износа с полученными при ресурсных испытаниях двигателей СПД-100, когда при расширениях выходной части ускорительного канала около 45° на сторону были получены профили, близкие к коническим. Кроме того, ранее было показано [6], что при таком и больших расширениях не происходит смещения границ износа в направлении к аноду.

С учетом отмеченного можно было ожидать, что, если в двигателе СПД-100ВТ зоны износа будут локализованы в расширенной до 45° на сторону части канала, то они должны остаться в названной части канала и при дальнейшей его работе. Это позволяет рассчитывать на то, что ресурс двигателя можно увеличить за счет увеличения запасов на износ в свободном от полюсов пространстве.

Для подтверждения эффективности принятых решений были проведены экспериментальные исследования характеристик созданных образцов, а также проведены эрозионные испытания макетного образца (МО СПД-100ВТ) и экспериментального образца двигателя СПД-100ВТ (ЭО СПД-100ВТ).

Исследования интегральных характеристик МО СПД-100ВТ были проведены при расходах ксенона через анод в диапазоне (6–12) мг/с и разрядных напряжениях в диапазоне (150–600) В (рис. 3–5, где чертой без точек показаны параметры двигателя СПД-100 на номинальном режиме его работы с мощностью 1.35 кВт).

Рис. 3.

Зависимость реактивной тяги от режима работы МО СПД-100ВТ.

Что такое разрядный двигатель

• Главное
• События
• Технологии
• Люди
• Синхроинфотрон
• Ещё…
  • История
  • Игры

• Главное
• События
• Технологии
• Люди
• Синхроинфотрон
• Ещё…
  • История
  • Игры

Свежий номер уже доступен

Спасибо!

Плазменный двигатель от МИФИ испытают в космосе до конца года

В МИФИ делают сверхмалый плазменный двигатель для наноспутников. Сложность в том, чтобы заставить его работать от маленькой конденсаторной батареи, над чем ученые бились много лет. В конце года аппарат планируют испытать в космосе. Подробностями о разработке, испытаниях двигателя на орбите и будущем серийном производстве поделился один из создателей устройства, руководитель лаборатории плазменных ракетных двигателей Института лазерных и плазменных технологий МИФИ Игорь Егоров.

Тенденция к уменьшению

В последние годы в мире наблюдается настоящий бум наноспутников — ​аппаратов массой менее 10 кг. С начала 2021 года в космос запустили более 150 спутников формата CubeSat — ​одного из самых популярных типов малых спутников.

Многие из них применяются для дистанционного зондирования Земли. К примеру, американская компания Planet Labs запустила уже больше 100 космических аппаратов, оборудованных телескопом, камерой и ПО для съемки поверхности Земли с разрешением 3–5 м. Проблема таких аппаратов в том, что их запускают на орбиту, просто выбрасывая десятками из ракеты в одном месте. Для качественной съемки нужно распределить спутники по орбите равномерно, а значит, необходимо изменить их скорость вращения вокруг Земли. В Planet Labs для этого используют установленные на спутнике раскрывающиеся панели: поворачивают их либо перпендикулярно движению спутника, чтобы значительно замедлить его движение, либо параллельно, если нужно немного его замедлить. Метод хорош, но не идеален: из-за замедления спутники часто теряют высоту и, постепенно сходя с орбиты, сгорают в атмосфере. Тогда приходится снова запускать несколько десятков спутников на замену.

CUBESAT

Это формат сверхмалых искусственных спутников, базовый модуль (1U) имеет габариты 10×10×11,3 см, из которых 10×10×10 см доступны для размещения полезной нагрузки. Масса у 1U не более 1,33 кг. Часто объединяют несколько стандартных кубов в составе одного спутника (обозначаются 2U, 3U и т. д.). Количество зависит от размера и массы оборудования, которое необходимо разместить на спутнике. Так, для съемки поверхности Земли с орбиты достаточно 3U, а отправившаяся на Марс миссия Mars Cube One состояла из двух спутников CubeSat 6U — ​слишком много оборудования потребовалось для такого дальнего полета.

Выходом стала бы установка миниатюрного двигателя, который позволит перемещать спутник без потери высоты и затем поддерживать стабильную орбиту. Однако почти все используемые на спутниках двигатели предназначены для больших аппаратов. И даже если удастся уместить какой-то из существующих двигателей в наноспутнике, он все равно будет потреблять слишком много энергии. Спутник маленький, и солнечные батареи у него маленькие, они не дадут достаточно энергии для питания двигателя. Еще одно ограничение связано с безопасностью: нельзя использовать взрывоопасные вещества, а значит, не получится поставить на спутник, к примеру, жидкостный ракетный двигатель на гидразине.

Углеродный скелет

В нашем плазменном двигателе рабочим телом служит пластик полиацеталь, который, постепенно выгорая, превращается в плазму, выбрасывается из двигателя и таким образом создает тягу, приводящую спутник в движение. Идея использовать пластик не нова. Первый в истории плазменный двигатель в космосе испытали в 1964 году на советской автоматической межпланетной станции «Зонд‑2», которая отправилась к Марсу. Несколько плазменных двигателей, в разработке которых принимал участие мой учитель Виктор Александрович Храбров, отвечали за ориентацию станции в пространстве. В основе разработки тоже лежало рабочее тело из пластика — ​но не из полиацеталя, а из фторопласта. Преимущество этого материала — ​высокая плотность, в небольшом объеме можно заключить больше материала. Но есть и недостаток: при использовании такого пластика нужен большой разрядный ток. Если ток недостаточен, поверхность фторопласта покрывается слоем углерода: пластик испаряется не полностью, углерод остается в виде тонкой пленки и из-за своей электропроводности вызывает короткое замыкание. Двигатель выходит из строя.

Храбров с такой сложностью не сталкивался просто потому, что его двигатели были большого размера: он мог использовать тяжелые громоздкие импульсные конденсаторы, которые генерировали большой разрядный ток.

Моя же задумка была в том, чтобы сделать плазменный двигатель гораздо меньшего размера (размер двигателя — 83×83×50 мм. — СР). Я стал изучать химические формулы пластиков и обратил внимание на полиацеталь, углеродный скелет которого состоял не из сплошной углеродной цепочки (-С-С-С-), как у фторопласта, а из перемежающихся атомов углерода и кислорода (-С-О-С-). Использование такого материала решило проблему углеродной пленки. На поверхности рабочего тела нашего двигателя все равно образуется слой некоего вещества вроде нефти или масла, но оно не проводит электричество и никак не влияет на работу аппарата.

Другая особенность нашего двигателя — ​внешняя магнитная система из медной катушки. С ее помощью удалось ограничить разрядный ток и при этом сохранить эффективность двигателя.

И, наконец, мы смогли установить на двигатель компактные и легкие конденсаторы. Создание маленького двигателя никогда не было проблемой, сложность была как раз в том, чтобы заставить его работать от маленькой конденсаторной батареи. Над этим ученые бились не один год.

Тысяча часов на орбите

Ближайшие несколько месяцев мы будем дорабатывать двигатель, совершенствовать технологию: попробуем изменить конфигурацию электродов, размер и форму рабочего тела, чтобы увеличить запас пластика и тем самым повысить эффективность двигателя. В конце года наши устройства пройдут испытания на орбите — ​отправятся в космос на двух спутниках на платформе «ОрбиКрафт-Про». У нас уже есть договоренность с их разработчиками — ​частной космической компанией «Спутникс». Параллельно с испытаниями на орбите проведем ресурсные испытания на Земле. Предполагается, что ресурс работы нашего устройства будет около 1 тыс. часов. По всей видимости, к лету 2022 года завершатся все испытания, и мы сможем уверенно говорить про ресурс работы, силу тяги двигателя, совместимость с оборудованием спутника и т. д. Если все пройдет гладко, то наладим серийный выпуск двигателей.

«СПУТНИКС»

Российская частная космическая компания, резидент «Сколкова». Разрабатывает технологии производства спутниковых платформ, служебных систем микроспутников и наноспутников. В 2017 году компания создала спутниковую платформу «ОрбиКрафт-Про» — ​набор-конструктор, позволяющий собирать наноспутники различной конфигурации, на которые можно установить научную аппаратуру.

К нам уже обратились представители образовательного проекта по разработке и производству космических аппаратов. Они планируют покупать 10–15 двигателей в год. Проявила интерес и компания Orbital Express, которая в следующем году запускает на орбиту собственный спутник и хочет видеть на нем наш двигатель, а также другие, помимо «Спутникса», разработчики наноспутниковых платформ. Интерес к нашей разработке довольно большой, это приятно.

Что такое разрядный двигатель

Изобретение относится к двигателям космических аппаратов (КА), в частности к электрическим ракетным двигателям, применяемым в составе двигательных установок (ДУ) КА. Абляционные импульсные плазменные двигатели (АИПД) используются для создания реактивной тяги и управления движением КА, а также для проведения экспериментальных исследований и модельных испытаний в наземных условиях.

В АИПД рельсотронного типа применяется твердое рабочее вещество в виде твердых диэлектрических шашек, выполненных из аблирующего материала, как правило из фторопласта. Ускорение плазмы осуществляется в разрядном (ускорительном) канале АИПД. Разрядный канал плазменного двигателя ограничен поверхностями плоских разрядных электродов, расположенных напротив друг друга, рабочими (торцевыми) поверхностями диэлектрических шашек, установленных между разрядными электродами, и поверхностью торцевого изолятора, обращенной к открытой части разрядного канала (Новый этап развития абляционных импульсных плазменных двигателей в НИИ ПМЭ / Н.Н. Антропов [и др.] // Вестник ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина». 2011, №5. С. 30-40).

Импульсное ускорение плазмы в АИПД осуществляется следующим образом. Перед электрическим разрядом в канале АИПД производится зарядка емкостного накопителя энергии (конденсаторной батареи), который электрически связан с разрядными электродами, от источника электроэнергии, в частности от системы электропитания КА. Основной разряд в разрядном канале инициируется искровым разрядом с помощью устройства инициирования электрического разряда (свечи). В межэлектродном объеме образуются заряженные частицы, после чего происходит электрический пробой разрядного промежутка. Импульсный разряд емкостного накопителя энергии обычно продолжается от 3 до 15 мкс. Разрядный ток первоначально протекает вдоль поверхности торцевого изолятора, а затем канал электрического разряда перемещается в объем разрядного канала. В процессе электрического разряда происходит интенсивный нагрев и излучение плазменного образования. Тепловой поток, излучаемый плазменной перемычкой, воздействуя на рабочие поверхности диэлектрических шашек, вызывает абляцию твердого рабочего вещества, в качестве которого обычно используется фторопласт. Продукты абляции фторопласта диссоциируют, переходя в газообразное состояние, и ионизуются в разрядном объеме.

При протекании разрядного тока через разрядные электроды в межэлектродном промежутке создается магнитное поле, основная компонента которого B_Z направлена вдоль поперечной оси Z разрядного канала. При взаимодействии компоненты магнитного поля B_Z с разрядным током J_Y, протекающим между разрядными электродами, создается объемная электромагнитная сила F_X=J_Y x B_Z, направленная вдоль продольной оси X разрядного канала (в направлении ускорения плазменного потока). Образующаяся в разрядном объеме плазма ускоряется электромагнитной силой F_X до скоростей от 20 до 30 км/с.В конце апериодического разряда, когда разрядный ток J_Y существенно уменьшается, более существенный вклад в ускорение плазмы вносят газодинамические силы, обеспечивающие характерную скорость истечения плазменного образования от 3 до 5 км/с.

Основные особенности импульсного ускорения плазмы проявляются при рассмотрении модели разрядного контура в простейшем электродинамическом приближении (Колесников П.М. Электродинамическое ускорение плазмы. М.: Атомиздат, 1971. С. 207-216). В электродинамическом приближении плазменный двигатель, представляющий собой электромагнитный ускоритель плазмы, моделируется в виде эквивалентной разрядной цепи с подвижным проводником, моделирующим плазменную перемычку между разрядными электродами. Эквивалентная электрическая цепь имеет постоянные электрическую емкость С и сопротивление R. Индуктивность разрядной цепи L включает постоянную L (начальную индуктивность) и переменную ΔL=b⋅x составляющие (где b [Гн/м] — погонная индуктивность разрядных электродов, х — координата центра инерции плазменного сгустка в продольном направлении разрядного канала). Масса m подвижного участка цепи, моделирующего плазменный сгусток, в первом приближении принимается постоянной, а омическое сопротивление R существенно меньшим индуктивного сопротивления: R -6 с , высоковольтный импульс напряжения, подаваемый на изолированные электроды устройства 7, установленные в отверстии катода 1. В результате высоковольтного электрического пробоя по поверхности диэлектрика, разделяющего электроды устройства 7, образуется проводящий плазменный сгусток, который закорачивает разрядные электроды. После этого происходит электрический пробой межэлектродного промежутка между катодом 1 и анодом 2, на которые через токоподводы 5 и 6 предварительно подается напряжение 1200 В от емкостного накопителя энергии разрядное. Между разрядными электродами зажигается импульсный апериодический электрический разряд с двумя полупериодами тока. Абсолютное значение амплитуды тока составляет от 20 кА до 40 кА в зависимости от емкости накопителя энергии. Длительность импульсного электрического разряда составляет от 10 -5 с до 10 -4 с.

Под действием излучения и конвекции из канала электрического разряда происходит абляция и испарение рабочего вещества с рабочих поверхностей диэлектрических шашек 4. Образовавшееся газообразное углеродосодержащее рабочее вещество ионизуется в разрядном объеме и ускоряется в виде межэлектродной плазменной перемычки под действием объемной электромагнитной силы F_X и газодинамического давления, создавая реактивную тягу.

По мере расходования диэлектрических шашек 4 в результате абляции происходит автоматическая подача шашек в полость разрядного канала в направлении к продольной срединной плоскости сечения канала с помощью устройства перемещения диэлектрических шашек. Ограничители перемещения диэлектрических шашек 4, выполненные в виде выступов на поверхности разрядных электродов (на чертеже не показаны), обеспечивают расчетное расстояние между рабочими поверхностями шашек.

Электромагнитное ускорение плазменного сгустка (плазменной перемычки), образованного в межэлектродном промежутке между разрядными электродами, осуществляется аналогично ускорению подвижного проводника с током под действием силы Ампера. Магнитное поле в разрядном канале создается за счет протекания разрядного тока через параллельно расположенные разрядные электроды.

Ускоряемые заряженные частицы имеют существенный разброс по скоростям: 20-40% испарившегося рабочего вещества покидают разрядный канал со скоростями от 20 до 30 км/с под действием объемной электромагнитной силы; остальная часть рабочего вещества покидает разрядный канал с субтепловыми и тепловыми скоростями от 0,5 до 5,0 км/с.Данный эффект объясняется тем, что испарившееся и ионизованное рабочее вещество не успевает взаимодействовать с объемной электромагнитной силой F_X в течение малой длительности импульса разрядного тока.

Синхронизация процессов абляции, испарения, ионизации и электромагнитного ускорения заряженных частиц обеспечивается посредством дозированной подачи рабочего вещества в разрядный объем за счет профилирования поперечного сечения диэлектрических шашек в соответствии с изменением расстояния между разрядными электродами на начальном участке разрядного канала в направлении ускорения плазменного образования. По мере увеличения величины разрядного тока импульса и, соответственно, роста электрической энергии, вводимой в разрядный канал, происходит формирование импульсного электрического разряда у поверхности торцевого изолятора 3 и перемещение плазменной перемычки от торцевого изолятора к открытой выходной части разрядного канала. При этом соразмерно увеличению тока разряда увеличивается и площадь рабочей поверхности участков диэлектрических шашек 4, которые в текущий момент времени находятся в области высокотемпературного воздействия со стороны канала электрического разряда (данные участки находятся в непосредственной близости от плазменного образования).

Данный эффект связан с профилированием поперечного сечения диэлектрических шашек в направлении ускорения плазмы в соответствии с расширяющейся формой разрядного канала. Форма и размеры разрядного канала в его продольной срединной плоскости сечения определяются взаимной ориентацией разрядных электродов. Касательные к противоположно расположенным образующим поверхностей разрядных электродов в продольной плоскости сечения разрядного канала, по меньшей мере, в пределах его участка, расположенного между торцевыми поверхностями диэлектрических шашек, ориентированы под острым углом относительно друг друга.

В рассматриваемом примере (см. фиг. 1) поперечный размер диэлектрических шашек линейно увеличивается в направлении ускорения плазмы так же, как и расстояние между разрядными электродами. При этом в начальный момент времени, когда происходит межэлектродный пробой и формирование импульсного разряда, в области теплового воздействия находится минимальная рабочая площадь диэлектрических шашек и, вследствие этого, обеспечивается подача минимального количества рабочего вещества в разрядный объем. В этом случае снижаются непроизводительные потери рабочего вещества, повышается эффективность использования рабочего вещества и тяговая эффективность АИПД.

Вместе с тем при выполнении начального участка разрядного канала расширяющимся в продольной плоскости сечения разрядного канала, пересекающей разрядные электроды, увеличивается погонная индуктивность b электродов и, соответственно, увеличивается переменная составляющая индуктивности ΔL разрядного контура. Расширяющаяся форма начального участка разрядного канала обеспечивается за счет углового смещения разрядных электродов относительно друг друга. Следует отметить, что во всех известных аналогах АИПД разрядные электроды на начальном участке разрядного канала, ограниченном с одной стороны поверхностью торцевого изолятора, а с противоположной сторооны — боковой поверхностью диэлектрических шашек, обращенной к открытой части разрядного канала, расположены параллельно друг другу.

Таким образом, за счет увеличения погонной индуктивности разрядных электродов повышается эффективность электродинамического ускорения плазменной перемычки, сформированной между разрядными электродами. Данный эффект способствует дальнейшему повышению тяговой эффективности АИПД и увеличению удельного импульса тяги двигателя.

После разряда емкостного накопителя прекращается подача напряжения на разрядные электроды 1 и 2 и завершается процесс импульсного ускорения плазменного сгустка в разрядном канале АИПД. Затем производится зарядка емкостного накопителя до рабочего уровня энергии, подача напряжения на разрядные электроды и последующее зажигание разряда с помощью устройства 7 инициации электрического разряда. Процесс заряда-разряда емкостного накопителя и зажигания электрического разряда периодически повторяется при импульсном режиме работы АИПД.

На основании проведенных экспериментальных исследований модели АИПД получены результаты, подтверждающие достижение перечисленных выше технических результатов. При проведении сравнительных испытаний модели АИПД, выполненной согласно изобретению, и АИПД — аналога, конструкция которого описана в патенте RU 2516011 С1, установлено следующее.

При равных значениях частоты следования импульсов ƒ=2 Гц и электрической энергии Е=6,6Дж, вводимой в течение импульсного ускорения плазменного сгустка, при использовании нового технического решения зафиксировано увеличение удельного импульса тяги с 5,5 до 6,6 км/с, снижение расхода рабочего вещества с 2,2⋅10 -5 до 1,5⋅10 -5 г/импульс и увеличение тяговой эффективности АИПД на 30%..

Работа вариантов АИПД, конструкция которых изображена на фиг. 2 и 3, осуществляется аналогично приведенному выше описанию работы АИПД. Отличия заключаются в форме и расположении разрядных электродов, которые определяют форму поперечного сечения диэлектрических шашек.

При несимметричном расположении разрядных электродов 9 и 10 (фиг. 2) поперечное сечение диэлектрических шашек 12, установленных между разрядными электродами у поверхности торцевого изолятора 11, имеет форму прямоугольной трапеции. С помощью устройства 15 инициирования электрического разряда образуется плазменный сгусток, закорачивающий разрядные электроды 9 и 10, на которые через токоподводы 13 и 14 подается разрядно напряжение. Из-за несимметричного расположения разрядных электродов 9 и 10 плазменное образование ускоряется в разрядном канале под действием объемной электромагнитной силы и газодинамического давления в направлении, смещенном относительно нормали к плоской поверхности торцевого изолятора.

В случае использования разрядных электродов 17 и 18 с криволинейной поверхностью (фиг. 3) поперечное сечение диэлектрических шашек ограничено поверхностью торцевого изолятора 19 и двумя симметрично расположенными криволинейными отрезками образующих поверхностей разрядных электродов. Формирование плазменной перемычки осуществляется с помощью устройства 23 инициирования электрического разряда. Плазменный сгусток закорачивает разрядные электроды 17 и 18, на которые через токоподводы 21 и 22 от емкостного накопителя энергии подается разрядное напряжение. При симметричном расположении разрядных электродов плазменное образование ускоряется в разрядном канале, создавая тягу с вектором, ориентированным приблизительно вдоль нормали к плоской поверхности торцевого изолятора.

За счет профилирования разрядных электродов обеспечивается более полная синхронизация процессов абляции, испарения и ионизации рабочего вещества и ускорения плазменного образования. В других вариантах выполнения АИПД криволинейные разрядные электроды могут быть расположены несимметрично относительно дуга друга и иметь различную форму.

Приведенные примеры осуществления изобретения основываются на конкретных формах выполнения конструкции АИПД, однако это не исключает возможности достижения технических результатов и в других частных случаях реализации изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы. В зависимости от рабочих характеристик АИПД и режимов работы выбираются форма и размеры разрядных электродов и диэлектрических шашек. В состав АИПД могут быть включены дополнительные узлы и блоки, обеспечивающие выполнение вспомогательных функций.

Диэлектрические шашки могут заполнять не только начальный участок разрядного канала, но и весь разрядный канал от поверхности торцевого изолятора до выходных кромок торцевых частей разрядных электродов. В этом случае достигаются более высокие значения импульса тяги за счет увеличения расхода рабочего вещества.

Для повышения эффективности использования рабочего вещества и тяговой эффективности АИПД торцевой изолятор может быть выполнен с наклонной поверхностью, обращенной к разрядному каналу (см., например, RU 2516011 С1). При данном выполнении касательная к поверхности торцевого изолятора, обращенной к разрядному каналу, будет направлена под острым углом относительно срединной плоскости сечения разрядного канала. С целью увеличения погонной индуктивности b могут использоваться профилированные электроды, ширина которых уменьшается в направлении ускорения плазменного сгустка (см., например, RU 2253953 C1).

АИПД, выполненный согласно изобретению, может применяться в составе ДУ КА в качестве исполнительного органа системы управления, а также в качестве импульсного инжектора низкотемпературной плазмы для проведения экспериментальных исследований и модельных наземных испытаний.

Что такое разрядный двигатель

Необходимая мощность аккумуляторной батареи 100-120ah, рекомендуемый тип масла 10W-30 10W-40. Объем моторов в упаковке 1.9154 куб.м.

В комплекте поставки входит:

• винт из нержавеющей стали с выбором шага 17″-27″
• машинка газа/реверса
• тахометр
• креномер

Рабочий объем блока цилиндров новых двигателей составляет 2867 см3 (175 куб. дюймов). При этом увеличение рабочего объема блока не повлекло за собой увеличение размера. DF150 и DF175 — самые легкие и компактные в своем классе и весят всего 215 кг. К другим выдающимся техническим достоинствам новинок можно отнести:

Основным девизом предстоящей рекламной кампании этих моторов является фраза «No replacement for displacement», которую можно перевести на русский язык как: «Большому объему двигателя нет альтернативы». Исходя из этого девиза можно понять основную задачу, поставленную при проектировании этих моторов — при сохранении всех достижений предыдущих моделей, таких как надежность, небольшой вес, экономичность, бесшумность, придать этим моторам еще и отличные динамические характеристики. При этом, в отличие от конкурирующих моторов Mercury-Verado — эти динамические характеристики достигнуты не за счет усложнения механизма управления и форсирования мотора, а за счет увеличения его объема. Для того, чтобы мотор большего объема меньше весил, тише работал и потреблял меньше топлива, чем конкуренты, потребовалось большое количество конструкторских и технологических новшеств. Безусловно, большинство из них останется для нас «подводной частью айсберга», но некоторые легко заметны и понятны.

17 февраля 2005 (Майами, Флорида) — этим утром Suzuki Marine продемонстрировала два новых мощных и компактных четырехтактных подвесных мотора собранию ведущих редакторов и авторов изданий, посвященных морским судам, и энтузиастов малого судовождения. Этот специальный закрытый просмотр Miami International Boat Show отметил первый мировой показ новых мощных 150-сильного ( DF150) и 175-сильного ( DF175) подвесных моторов Suzuki, запланированных к внедрению уже в этом году в качестве моделей 2006. Новые DF150 и DF175 являются самыми мощными из когда-либо созданных Suzuki Motor Corporation четырехцилиндровых подвесных моторов. «Наши конструкторы и инженеры разработали эти новые двигатели с целью дальнейшего расширения потенциала применения четырехтактных двигателей на морских судах», сказал Larry Vandiver, Коммерческий директор Suzuki Marine. «Эти новые большие блочные подвесные моторы созданы на основе наших усовершенствований работы четырехтактного двигателя, — и они обещают обеспечить судоводителей и рыбаков более мощным ускорением без разгона, более быстрой реакцией газа и захватывающим финалом, в который невозможно поверить, пока не испытаешь». Suzuki рассчитывает на то, что эти новые моторы привлекут внимание владельцев широкого спектра судов, от ориентированных на эффективность жестких надувных лодок ( RIB) и дневных судов до судов с центральной консолью и вспомогательных судов. Инженеры Suzuki разработали эти совершенно новые рядные четырехцилиндровые DOHC (двигатель с двойным верхним распредвалом) с объемом двигателя 2867 см 3 (175 кубических дюймов), самые большие в своей категории. Увеличенный объем двигателя обеспечивает исключительные ускорение и скорость. Однако большой блочный двигатель не означает увеличения размера или веса, поскольку эти новые моторы предназначены стать самыми легкими и компактными 4-тактными двигателями такого рода. К отличиям DF175 относится непрерывно переменное время открытия-закрытия клапана. В число прочих усовершенствований обеих моделей входят многостадийная индукция и 32-битный бортовой компьютер, который следит за датчиками двигателя и управляет системой многоточечного последовательного впрыска топлива. Подобно премированным Suzuki V6, DF150 и DF175 вращают гребной винт большего диаметра, чем типичный подвесной 150-сильный мотор и обладают более энергичным передаточным числом. Сочетание увеличенного диаметра гребного винта с пониженным передаточным числом обеспечивает превосходное ускорение, что будет оценено владельцами высокоэффективных судов для отдыха и жестких надувных лодок ( RIB). Предусмотрены валы длиной 50,80 см и 63,50 см, подходящие для транцев широкого спектра рыболовных и морских судов, а также будут в наличии модели 50,80 см и 63,50 см с противоположным вращением вала для двухдвигательных установок на судах открытого моря и моторных катамаранах. Suzuki Marine планирует представление мировой прессе этой весной в престижном Chateau Resort Hotel на озере Table Rock возле Брансона, штат Миссури. Редакторы и авторы изданий, посвященных морским судам, из США, Южной Америки, Европы, Африки, Азии и Австралии получат возможность изучить техническую информацию об этих впечатляющих новых моторах, а также всесторонне испытать и оценить качество их работы на различных судах.

НОВЫЙ ЭКОНОМИЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ТЕХНОЛОГИЕЙ SUZUKI

Модели DF 175 и DF 150 развивают поразительную производительность, но не за счёт большого расхода топлива. Используя 32-битный встроенный компьютер для оптимизации производительности электронного впрыска топлива, оба этих подвесных двигателя предлагают значительную экономию топлива, соответствуют нормам выброса EURO 1 и попадают под нормы 2006г., установленные Управлением по охране окружающей среды (ЕРА).

ПРЕВРАЩЕНИЕ МОЩНОСТИ В СКОРОСТЬ

Обе модели DF 175 и DF 150 разработаны для раскручивания винта большего диаметра и обладают более мощным передаточным отношением. Сочетание большого винта и медленного редуктора обеспечивает сильнейший взрыв мощности, который особенно ценен для судов с высокими эксплуатационными характеристиками.

УДОБСТВА, ПРЕВРАЩАЮЩИЕ УПРАВЛЕНИЕ В УДОВОЛЬСТВИЕ

Подвесные двигатели Suzuki разработаны таким образом, чтобы Ваш опыт управления судном приносил огромное удовольствие. Модели DF 175 и DF 150 оснащены генераторами переменного тока высокой мощности, благодаря которым разнообразные электронные приборы поддерживаются в работающем состоянии. Также применены регуляторы напряжения с жидкостным охлаждением и изоляторами, позволяющими использовать два аккумулятора, и удобно расположенный блок плавких предохранителей. Присутствует переключатель ограничения наклона и два заливочных отверстия в двигателе.

ВПЕЧАТЛЕНИЯ О РАБОТЕ

По скорости разгона (особенно на более тяжелых катерах) моторы существенно превосходят DF140. Хорошая приемистость была показана на всем диапазоне рабочих оборотов (а особенно на средних). Ощущение полета и спортивности было на всех катерах, кроме самого тяжелого. На катере Ranger 186VS максимальная скорость превысила 100 км/ч и вырвает куртку из рук. Очень хорошо продуман дизайн, который не уступает DF140 и превосходит DF200-250.