CC BY
46
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ Т о ом XXII 1991
М 3
,удк 533.6.071.1 : 62-62
ПРИМЕНЕНИЕ СТАЦИОНАРНОГО УСКОРИТЕЛЯ ПЛАЗМЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОТОКОВ РАЗРЕЖЕННЫХ нейтральных ГАЗОВ СО СКОРОСТЬЮ 8-15 км/с
В. В. Скворцов, А. А. Успенский
Рассмотрены вопросы использования стационарного плазменного ускорителя для создания потоков разреженных нейтральных газов. Формирование, ускорение и последующее торможение ионного потока в канале ускорителя проводилось в зонах с замкнутым дрейфом электронов без нарушения квазинейтральности плазмы. Это позволило получать потоки с интенсивностью в их рабочей области больше 10*5 см-2 с1, скорость которых могла плавно регулироваться. Нейтральный поток создавался путем перезарядки ионного потока на молекулах холодного газа. Приведены результаты определения коэффициента аккомодации нормального импульса при скорости потока молекул азота 8 км/с для ряда конструкционных материалов.
Создание потоков разреженных нейтральных газов, параметры которых соответствуют условиям орбитального полета (в частности, имеющих скорость на уровне 8 км/с и интенсивность в диапазоне 1015—101в см-2 с-1), связано с определенными трудностями. Эти трудности обусловлены тем, что с одной стороны для получения потоков с интересующими значениями скорости не могут быть использованы традиционные газодинамические методы ускорения газа (с их помощью могут быть созданы потоки со скоростями примерно до 4 км/с [1]), а с другой стороны — при использовании различного рода ионных источников с последующей перезарядкой ионного пучка на атомах или молекулах холодного газа обычно могут быть получены потоки с минимальными значениями скорости (в расчете на молекулярный азот) на уровне примерно 17 км/с. Последнее ограничение обусловлено тем, что минимальное значение энергии ионов на выходе таких источников определяется в конечном счете напряжением горения разряда в их камерах, которое необходимо для достаточно' эффективной ионизации рабочего газа. Обычно это напряжение составляет 40—50 В, и ему соответствует указанное выше значение скорости. Кроме того, при использовании ионных источников не удается получать необходимых по интенсивности потоков нейтрального газа. так как плотность ионного потока, который может быть пропущен через ионно-оптическую систему источника, ограничивается пространственным зарядом ионного пучка (однако такие источники со специальным затормаживанием потока до скоростей, реализуемых при орбитальных полетах, с успехом используются для воспроизведения условий взаимодействия летательных аппаратов и установленной на них аппаратуры с ионизированной компонентой верхней атмосферы, см., например [2]).
В проведенной работе для создания потоков разреженного нейтрального газа с необходимыми параметрами был использован стационарный плазменный ускоритель, в котором осуществляется эффективное формирование ионного потока в протяженной зоны с замкнутым дрейфом электроннов в скрещенных электрическом и магнитном полях [3].
Необходимо отметить, что применение плазменных ускорителей, в которых ускорение ионов производится без нарушения квазинейтральности плазмы, позволяет получать существенно более интенсивные потоки, чем с помощью ионных источников, так как у них нет проблемы ограничения плотности потока из-за влияния пространственного заряда.
Принципиальная схема использовавшегося ускорителя показана на рис. 1, а. Он имеет кольцевой канал, в начале которого расположен анод 1, а в секторном вырезе в средней части — накаливаемый катод-компенсатор 2. Между этими электродами зажигается несамостоятельный разряд с силой тока —1 А и напряжением около 100—130 В. С помощью катушек 3, 4 и сердечника из магнитомягкого материала 5 в канале перед катодом-компенсатором формируется радиальное магнитное поле.. Так как электрическое поле разряда и магнитное поле оказываются скрещенными, то здесь возникает зона с замкнутым дрейфом электронов. в которой они накапливаются, что обусловливает локальное снижение потенциала на величину, практически равную разности потенциалов иа 1 между анодом 1 и катодом-компенсатором (см. рис. 1,6). В области этого падения потенциала происходит формирование и ускорение ионного потока. Благодаря тому, что резкое изменение потенциала имеет место в сравнительно узкой зоне, ионы в потоке обладают небольшим разбросом по энергии. Однако, пройдя разность потенциалов -100 В, ионы (в расчете на молекулярный ■ азот) будут иметь скорость больше 20 км/с. Для того, чтобы затормозить ионный поток до требуемого значения скорости, ускоритель имеет дополнительный канал, являющийся продолжением основного, причем в его начале расположена система для создания магнитного поля (6, 7 — катушки, 8 — магнитопровод), аналогичная той,. которая используется в основном канале, а на конце дополнительного канала установлен кольцевой анод 9. Между этим анодом и катодом-компенсатором прикладывается разность потенциалов Иа2 (рис. 1,6), которая меньше, чем Vц, на такую величину, чтобы результирующая скорость ионов на выходе из ускорителя была равна требуемой. В зоне действия дополнительного радиального магнитного поля формируется еще одна зона с замкнутым дрейфом электронов. Благодаря этому. восстановление потенциала потока до величины Иа 2 происходит в локальной зоне по длине и достаточно равномерно по азимуту. Таким образом, в данном ускорителе реализован известный принцип ускорения и последующего торможения ионного потока. используемый в ионных источниках, но осуществляется он без нарушения квазинейтральности плазмы, что позволяет получать высокую плотность потока.
Для того, чтобы сформировать нейтральный поток, ускоритель располагается внутри экрана, под который производится также напуск рабочего газа. При этом в зоне выходных отверстий ускорителя и экрана осуществляется перезарядка ускоренного ионного потока на атомах или молекулах холодного газа. При необходимости убрать из потока оставшиеся неперезаряженными ускоренные ионы, а также электроны, за срезом экрана может быть установлена система из двух соленоидов для создания перпендикулярного к направлению потока магнитного поля.
В конкретных условиях наименьший диаметр канала ускорителя был равен 27 мм, наибольший — 37 мм. Катод-компенсатор был выполнен из вольфрамовой нити диаметром 0,35 мм. Для того, чтобы не происходило возможного дополнительного ускорения ионов, вышедших из ускорителя, в промежутке между его срезом и стенкой вакуумной камеры, дополнительный анод 2 соединен с камерой. После выхода ионов:.
1 3 9 5 Г 6У 9
А,
К-Н
г£
Рис. 1
из ускорителя на некотором расстоянии от его среза формируется ядро потока с равномерным распределением плотности. При этом диаметр ядра, в котором возможна установка мишеней для проведения как весовых, так и тепловых испытаний, составляет 60—70 мм на расстоянии 100—150 мм от среза источника.
Исследование работы данного ускорителя и эксперименты по его использованию в аэродинамических приложениях были проведены в ионосферной аэродинамической трубе, которая представляет собой вакуумную камеру длиной 9 м и диаметром 1,5 м. В качестве рабочих газов применялись аргон и азот. Давление в вакуумной камере при работающем ускорителе было равио (2,7+-4)- 10-3 Па (т. е. (2+-3) . 10-5 торр). Аэродинамическая труба оборудована диагностической аппаратурой, в частиости, весами крутильиого типа для определения скоростиого напора и коэффициентов сопротивления Сх, а также зондами давления для измерения интенсивности потока. Аппаратура устанавливается на координатном устройстве, так что имелась возможность регистрировать параметры потока по его длине и диаметру.
Приемным элементом весов, при измерении скоростного напора являлся полый цилиндр диаметром 20 мм и длиной 40 мм с коническим дном [4]. Величина отклонения весов определялась с помощью луча лазера, длина обратного хода которого была равна 9 м. Чувствительность весов составляла 4- 10— Н/м. Погрешность измерений скоростного напора и сил, действующих на мишень, была равна ±2-'-3%. Интенсивность потока измерялась с помощью ионизационного манометра ЛМ-2 с цилиндрическим насадком, диаметр отверстия которого был равен 4 мм, толщина стенки 1{),1 мм. Для определения направления потока в той или иной точке применялся зонд давления в виде трубки длиной 40 мм с днаметром отверстия 4 мм и регистрацией давления с помощью манометра ЛМ-2. При этом снималась зависимость давления от угла поворота зонда вокруг вертикальной оси, проходящей в плоскости входного отверстия трубки [5, 6]. С целью определения величин, относящихся к ускоренному потоку газа, измерения производились дважды — при включенном и выключенном разряде в канале ускорителя.
На рис. 2 приведены, зависимости значений пи2 и пи, где п — концентрация молекул в ускоренном потоке, и — скорость этого потока, от величины дио разности потенциалов между основным и дополнительными анодами, полученные в результате измерений скоростного напора и давления в потоке. Рабочим газом в этих экспериментах служил азот. Исследования проводились на расстоянии 100 мм от среза экрана ускорителя. Из представленных данных видно, что величина пи2 растет с увеличением разности потенциалов ДИо между анодами. Такая зависимость является' прямым указанием на то, что в канале ускорителя действует механизм приобретения энергии ионами в электрическом поле, а не тепловой механизм. При этом скорость иона определяется разностью потенциалов, действующей между той точкой в канале ускорителя, где он родился, и срезом ускорителя, и которая, в свою очередь, зависит от величины ди0- Величина же пи интенсивности потока не зависит от ДИ0, так как она определяется процессами ионизации и формирования потока в зонах с замкнутым дрейфом электронов.
Из рис. 2 видно, что величина пи2 в интересующем диапазоне значений ДИ а в выбранном сечении потока изменялась в пределах ■ (1,5—2,8) . 1021 см-1 с-2, а величина пи составляла 2- 10'5 см-2 Эти значения соответствуют натурным для высот полета 200—250 км. При форсировании работы ускорителя были получены примерно в три раза более высокие значения пи. Разумеется, они могут быть получены также при установке мишеней и на меньших расстояниях от ускорителя, не форсируя его работу.
Дополнительным подтверждением того, что в канале ускорителя действует механизм ускорения ионов под действием . электрического поля, служат результаты эксперимента по определению зависимости интенсивного потока пи от расстояния до выходного сечения ускорителя. На рис. 3, а эта зависимость показана сплошной линией. Здесь же для сравнения пунктиром нанесена зависимость 1.-2, которая имела бы
пи10',‘,^+ 2,0 - С/Н
1,5
го
но лиав
Рис. 2
„„.10-*-^ 6 с*с
О
а)
г=0
В
30“
20°
10"
(00
200
300 1пп
О)
Рис. 3
1=130 мп
т 260 390
20
"О
80 г,т
О
V, км/с
П
/2
/0
8
/
/
Рис. 5
/
1.
I
I
I
го чо лиа,в
место, если бы ускоритель работал как сферический источник (именно такая зависимость получается для случая, когда разряд в ускорителе отсутствует, но есть напуск рабочего газа). Из проведенного сопоставления видно, что ускоритель формирует направленный поток газа.
На рис. 3, б приведены зависимости угла меж-1___I 1 I ду вектором скорости потока и осью х от расстояния
до этой оси для ряда сечений х=сопб^ полученные из экспериментов с вращающимся зондом давления. рис. 4 Из этих данных видно, что изменение направления
вектора скорости потока ускоренных частиц при переходе от оси струи к периферии в зоне, где в дальнейшем устанавливались мишени, составляет 6—10° на радиусе 30 мм, что может приводить к ошибке в определении величины пи2, не превышающей 1—3%.
На рис. 4 представлена зависимость скорости создаваемого за срезом экрана нейтрального потока азота от разности потенциалов дио между анодами ускорителя для тех же условий эксперимента, для которых получены данные, показанные на рис. 2. Экспериментальные значения нанесены точками. Величина скорости и определялась по результатам измерений пи и пи^ Здесь же для сравнения пунктиром нанесена кривая, полученная в предположении, что все ионы азота на выходе ускорителя имеют одну и ту же энергию, определяемую величиной ДИа, т. е. о = = (2еДи„/М)1/2. Из рис. 4 видно, что реально получаемые скорости потока оказываются ниже, чем в идеальном случае. Это, естественно, связано с тем, что распределение потенциалов в канале ускорителя является не ступенчатым, а плавным. В частности, для того, чтобы получить скорость потока нейтральных молекул, равную 8 км/с, надо иметь значение диа""'12 В, тогда как в идеальном случае для этого потребовалось бы ДИа=9,4 В. Необходимо, однако, отметить, что скорость потока на выходе данного ускорителя легко регулируется в требуемом диапазоне путем изменения разности потенциалов между анодами, что является его достоинством по сравнению с другими плазменными ускорителями.
Специальные эксперименты были проведены для того, чтобы выяснить эффективность перезарядки потока ионов. С этой целью с помощью соленоидов, установленных за срезом экрана ускорителя (см. выше), создавалось поперечное магнитное поле напряженностью порядка 10-2 Тл, которое должно было отклонять из потока оставшиеся неперезаряженными ионы, и проводились сравнительные измерения величин лИ и пи при наличии магнитного поля и в его отсутствии. Эти эксперименты показали, что регистрируемые значения пи2 и пи не зависят от наличия или отсутствия указанного магнитного поля, что свидетельствовало о хорошей степени пере-заряженности потока. такому же выводу приводят н измерения с помощью анализатора заряженных частиц.
Рассмотренный ускоритель был использован в аэродинамических экспериментах" по определению коэффициента аккомодации нормального импульса ап молекул азота при скорости 8 км/с на мишенях, выполненных из алюминия, титана, меди, ниобия*, молибдена, вольфрама. Мишени были выполнены в виде плоских пластинок площадью ~3 см2^
Согласно [5, 7] величина ап связана с коэффициентом сопротивления пластины Сх, ориентированной нормально к направлению потока, и скоростным отношением 5' следующим соотношением:
причем М— масса молекулы набегающего потока, k — постоянная Больцмана, Тю — температура пластины, Г — температура частиц ускоренного потока. Поскольку величины р и I/S2 обычно малы (в условиях проведенных экспериментов имели
6, р "",0,1), то основной вклад в значение ап вносит величина Сх. Как уже отмечалось, погрешность измерения силы, действующей на пластины, и величины пи2 составляла ±2—3%, поэтому погрешность вычисления Сх и ап была на уровне 4—6%. Эксперименты проводились в условиях, когда ускоренный поток азота имел скоростной напор яи2=1,3- 1021 см21 с-2 (pu2 = 5-lQ-3 кг м-1 с2).
Измеренные значения коэффициента с* оказались лежащими в диапазоне 2,2— 2,6. На рис. 5 кружками нанесены рассчитанные по формуле (1) значения ап с использованием полученных в настоящей работе экспериментальных данных для различных значений отношения массы налетающей молекулы к массе атома мишени. Здесь же приведены теоретические зависимости [8, 9] полученные в двух различных предположениях: кривая 1 — в предположении, что поверхность мишени сильно шероховатая, а зависимость 2 — при учете взаимодействия налетающей молекулы с ■ группой атомов мишени. Видно, что экспериментальные результаты лежат выше теоретических и не зависят от !.t. Для сравнения на рис. 5 квадратами нанесены величины ап, полученные в работе (7] на газодинамической установке при более низких значениях скорости. Сравнение этих данных показывает удовлетворительное согласие результатов, полученных на установках с различными принципами получения и ускорения рабочих потоков.
Таким образом, проведенные эксперименты показали возможность применения рассмотренного источника свободно-молекулярного потока нейтрального газа для аэродинамических исследований.
1. Б а р и н о в И. С., Ж е с т к о в Б. Е., О м е л и к А. И., О р л 0в а З. Т. Вакуумная аэродинамическая труба с высокой температурой. торможения. — ТВТ, 1973, т. II, .N'8 3.
2. А н т о н о в В. Ф., С к в о р ц о в В. В., У с п е н с к и й А. А.. Исследование угловых характеристик ионных датчиков ориентации в лабораторных условиях. — ПМТФ, 1983, .N'8 4.
3. М о розо в А. И., Е с е п ч у к Ю. В., Т и л и н и н Г. Н., Т р о ф им о в А. В., Шар о в Ю. А., Щеп к и н Г. Я. Экспериментальное исследование плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения. —ЖТФ, 1972, т. 42, вып. 1.
4. О м е л и к А. И. Газодинамические методы диагностики гипер-звуковых свободномолекулярных потоков. —Труды ЦАГИ, 1977, вып. 1853. .
5. К о г а н М. Н. Динамика разреженного газа. — М.: Наука, 1967..
6. К о ш м а р о в Ю. А., Рыж о в Ю. А. Прикладная динамика разреженного газа. — М.: Машиностроение, 1977.
7. О м е л и к А. И. Экспериментальное определение коэффициентов' аккомодации нормального импульса для поверхностей из различных материалов. — Ученые записки ЦАГИ, 1973, т. 4, .N'8 4.
8. Е р о ф е е в А. И. Об обмене энергией и импульсом между атомами и молекулами газа и поверхностью твердого тела. — ПМТФ, 1967, .N'8 2.
9. Е р о ф е е в А. И. О влиянии шероховатости на взаимодействие-потока газа с поверхностью твердого тела. —МЖГ, 1967, .N'8 6.
4(1 + І/S») — Сх
2 — р + 1/S2
(1)
где
ЛИТЕРАТУРА
Рукопись поступила 22/Ї 1990 S...
