Электрические ракетные ионные двигатели (стр. 9 из 9)
Все рассмотренные разновидности вентилей используют плазму ЭРД как рабочее вещество. Они составляют единое целое с конструкцией двигателя и имеют общую с ним температуру, равную сотням градусов. Это намного выше, чем рабочая температура полупроводниковых вентилей, используемых в современных преобразователях тока. Высокая температура плазменного вентиля составляет его главное преимущество по сравнению с полупроводниковым в космических условиях, где охлаждение элементов возможно только излучением.
Вентильные свойства контакта плазма-электрод во многом повторяют свойства полупроводникового диода. Как известно, последний обладает преимущественно односторонней проводимостью. Она зависит от направления и величины протекающего тока. Направление, соответствующее большей проводимости, называется прямым, направление, соответствующее меньшей проводимости, – обратным. Эффективность вентиля характеризуется коэффициентом выпрямления тока
(2.81)
где Qпр и /пр – проводимость и ток в прямом направлении; Qобр и Iобр – те же величины в обратном направлении.
Вольтамперная характеристика идеального вентиля совпадает с осями координат, т.е. для него выполняются условия
(2.82)
Реальная характеристика отличается от идеальной, поскольку у реального вентиля отношение прямого и обратного тока составляет 103 _ ю4, а отношение допустимого обратного напряжения к прямому Ю2 -103.
Основным элементом полупроводникового вентиля является тонкий слой р – n– перехода. Он обеднен носителями заряда, поэтому его проводимость намного ниже, чем у прилегающих к тонкому слою зон чистого (а = 1 Ом» 1 м» *) и примесного (а = 1000 Ом'1 м»1) полу, проводников. Проводимость р – n-перехода растет с повышением температуры этого слоя что особенно пагубно в обратный полупериод, когда увеличение обратного тока приводит к пробою диода.
Плотность прямого тока вентиль-анода определяется плотностью хаотического электронного тока, поступающего из плазмы к границе экранирующего слоя,
(2.83)
Для газоразрядной плазмы ионных источников пе = 1017 м 3, Те -= 1 эВ «104 К и /Пр = (2… 3)-103 А/м2. Это намного меньше, чему кремниевого диода (106 А/м2), но на порядок больше, чем у селенового (200 – 300 А/м2).
(2.85)
У вентиль-анода, контактирующего с ртутной или аргоновой газоразрядной плазмой, ав будет соответственно 424 и 190, что на 1 – 2 порядка меньше, чем у полупроводникового вентиля.
Большим значением коэффициента выпрямления переменного тока обладает газоразрядный вентиль-анод, в состав которого входят металлический вентиль-анод, изолированный в герметичном корпусе, плазменный эмиттер, например, граница плазмы в ионном источнике, и опорный электрод – корпус источника. Существенным элементом вентиля является деионизатор, разграничивающий прианодную область и плазму основного объема источника. В прямой или проводящий полупериод потенциал вентиль-анода положителен. Между ним и плазменным эмиттером, являющимся виртуальным катодом, поджигается вспомогательный разряд. Положение эмиттера фиксируется отверстиями деио-низатора. Вентиль заполняется проводящей плазмой, по которой выпрямленный ток поступает в цепь нагрузки.
В обратный полупериод потенциал вентиль-анода становится отрицательным, разряд вентиля гаснет и он становится квазивакуумным пространством, пропускающим ограниченный поток ионов. Наличие деионизатора облегчает поджиг разряда в прямой полупериод и уменьшает приток ионов из плазмы основного разряда. Таким образом, в газоразрядном вентиль-аноде используется не столько малая подвижность ионов, сколько искусственное снижение концентрации плазменных ионов в обратный полупериод.
Использованная литература
1.Д. Гришин Н. Лесков – Электрические ракетные двигатели космических аппаратов
2.В.Н. Лебедев – Расчет движения космических аппаратов с малой тягой