ENERGY RECUPERATION OF POSITIVELY CHARGED IONS

Full Text

Введение. Для повышения энергетической эффек- тивности электрических ракетных двигателей (ЭРД), а также нейтрализации электрического заряда иони- зированных продуктов сгорания топлива за срезом сопла требуется разработка рекуператоров энергии ионов. Известно, что заряженные частицы за срезом сопла отрицательно влияют на работу ЭРД и энерге- тические системы космического аппарата (КА) за счет образования электростатического заряда [1; 2]. В настоящее время для нейтрализации заряда за- ряженных частиц продуктов сгорания топлива близко к срезу сопла устанавливают нейтрализаторы заря- женных частиц, которые излучают пучки электронов, компенсирующие заряд ионов. Однако такие системы требуют дополнительной энергии для создания элек- тронов, являются энергозатратными и повышают габаритно-массовые характеристики КА, уменьшая полезную нагрузку. В настоящее время остро стоит проблема разработки и создания многофункциональ- ных ЭРД, работающих, например, в плазменно- детонационном или электродинамическом режимах в зависимости от полетной программы. Такой подход к построению многофункциональных ЭРД позволит увеличить удельную тягу в 1,2-1,5 раза, а также обес- печить высокий удельный импульс. При разработке многофункциональных электриче- ских ракетных двигателей необходимо решить вопро- сы повышения энергетической эффективности сжига- ния топлива с образованием плазмы путем разделения и использования [1] энергии заряженных компонен- тов: пучков электронов и ионов. Для этого требуется разработка рекуператоров энергии заряженных час- тиц, работающих совместно с суперконденсаторами, используемыми в качестве накопителей электроста- тической электрической мощности. Преобразование энергии заряженных частиц в электрическую мощ- ность в рекуператоре энергии положительно заряжен- ных ионов должно происходить за счет электростати- ческого торможения пучков ионов при столкновении их с многоколлекторными электродами, а также при взаимодействии с электронами, поступающими из двойного слоя суперконденсатора и заряжающих электродов, изготовленных из нанокомпозиционных углеродных материалов, в рабочую зону рекуперато- ра. Разработка рекуператоров энергии заряженных частиц может также позволить использовать энергию околопланетной плазмы для зарядки аккумуляторов КА. Использование энергии ионизированных продук- тов сгорания топлива и энергии околопланетной плазмы для зарядки аккумуляторов КА даст возмож- ность повысить энергетическую эффективность кос- мических летательных аппаратов и работы ЭРД. В связи с изложенным, вопросы разработки рекупера- тора энергии положительно заряженных ионов явля- ются актуальными. Теоретическая часть. Задачей исследования яв- ляется решение энергетической проблемы путем пре- образования энергии сконцентрированных пучков положительно заряженных ионов в электрическую мощность с одновременной нейтрализацией из заряда за срезом магнитного сопла при создании электроре- активной силы ЭРД. Поставленная задача может быть решена при помощи рекуператора энергии положи- тельно заряженных ионов [3], содержащего заряжаю- щий многоколлекторный электрод, соединенный электрически с суперконденсатором, а также изоли- рованный управляющий электрод, выходные, элек- трически запираемые каналы для выхода нейтральных частиц газа. На рис. 1. показан механизм взаимодействия положительно заряженных ионов, например ионов аргона, с электронами, излучаемыми электродами- коллекторами, а также при взаимодействии с их по- верхностью при рекуперации энергии. Процесс нейтрализации катионов аргона происхо- дит по следующей схеме: Ar+ + e → Ar (1) Рекуперация энергии катионов в электрическую мощность осуществляется одновременно в объеме рекуператора и на многоколлекторных электродах. В объеме рекуператора процесс рекуперации проис- ходит за счет электронной эмиссии из массива покры- тия многоколлекторных электродов, выполненных из нанотрубок [3]. Эмиссия электронов в объемный заряд положительно заряженных ионов происходит за счет напряжения электрического поля [4] и термо- эмиссии. Напряженность электрического поля при потенциально-ионной эмиссии может изменяться от 100 до 1000 эВ. Температура на поверхности многоколлекторного электрода может находиться в пределах 300-350 0С, что достаточно для развития термоэлектронной эмиссии. Многослойные электрод- ные структуры, выполненные из графеновых нанот- рубок, обладают большой подвижностью электронов и малой энергией их выхода 4,5 эВ при взаимодейст- вии с положительно заряженными частицами в потоке и при высаживании их на электродах-коллекторах при неупругом столкновении, когда энергия столкновения меньше энергии E0 связи атома с поверхностью. Величина электронного торможения пропорциональ- на скорости иона или квадратному корню его энергии. Для торможения ионов на управляющий электрод 7 может подаваться напряжение U = 100-850 В с часто- той f = 10-500 Гц в зависимости от энергии и вида положительно заряженных ионов. Воздействие ионов на торцевой заряжающий электрод ограничено энер- гией 70-1000 эВ, так как при такой энергии сущест- венного выбивания атомов углерода из графита не наблюдается. Рис. 1. Принципиальная схема рекуперации энергии ионов аргона и их нейтрализации: 1 - заряженные ионы аргона; 2 - трубчатый многоколлекторный электрод, выполненный из наномодифицированного углеродного материала; 3 - ионисторный конденсатор кольцевого типа; 4 - наномодифицированный электролит; 5 - кольцевой сепаратор, выполненный из полиамида; 6 - отрицательный электрод ионисторного конденсатора; 7 - управляющий электрод, выполненный из графита; 8 - электроды-коллекторы; 9 - торцевой электрод с ионисторным конденсатором; 10 - выходные каналы для газа Fig. 1. Schematic diagram of argon ion energy recovery and neutralization: 1 - charged argon ions; 2 - tubular multi-collector electrode made of nano-modified carbon material; 3 - ionistor capacitor of ring type; 4 - nanomodified electrolyte; 5 - ring separator made of polyamide; 6 - negative electrode of ionic condenser; 7 - control electrode, made of graphite; 8 - electrodes-collectors; 9 - end electrode with ionistor capacitor; 10 - output channels for gas Наиболее приемлемой энергией взаимодействия ионов с поверхностью электродов является E = 200 эВ. Электронный поток со стороны электродов рекупера- тора образуется за счет эмиссионных характеристик нанотрубок и переноса электронов из двойного слоя ионисторных конденсаторов. Напряженность элек- трического поля в точке, из которой происходит эмиссия электронов, может быть разная по поверхно- сти многоколлекторного электрода, но она должна быть выше работы выхода электрона не меньше чем в 2 раза. Поскольку максимальная плотность тока для УНТ ограничена 106-109 А/см2, то площадь заря- жающих электродов ионисторного конденсатора мо- жет быть определена расчетом, а энергия пульси- рующего заряда в полости рекуператора и энергия образуется нейтральный газ аргон, который удаляется из полости рекуператора через выходные каналы для газа 10. Процесс преобразования энергии положи- тельно заряженных ионов в электрическую мощность происходит при определенных условиях. При взаимодействии положительно заряженных частиц с алмазной поверхностью в преобразователе, установленном на входе в рекуператор, и с электро- дами-коллекторами рекуператора их энергия должна быть в 2 раза больше энергии выхода электрона из вещества графеновых нанотрубок электродов- коллекторов и алмазоподобного покрытия преобра- зователя потока для того, чтобы происходила компенсация пространственного заряда в потоке [5-7]: проводящего уровня нанотрубок согласованы на осe ×U ³ 2 ×W , (2) нове энергетического баланса работы рекуператора. i 0 Для управления процессом рекуперации может использоваться программируемый логический кон- троллер ПЛК-150. При рекуперации ионов аргона где W0 - работа выхода; Ui - потенциал ионизации. Важным параметром ионного пучка, характери- зующим влияние объемного заряда в полости электрода-коллектора на его свойства, является первеанс, который рассчитывается по формуле P = I , (3) U 3/ 2 где I - ток пучка; U - ускоряющая разность потенциа- лов. Качество пучка оценивается проекцией фазового объема Vф на плоскость: ладает при T = 723 K. Электронная эмиссия массива нанотрубок зависит также от среднего расстояния между ними t0, максимум наблюдается при t0 = 0,5 мкм. Фактором, ограничивающим электронную эмиссию, является температурная неустойчивость углеродных нанотрубок (УНТ). В связи с изложенным, температу- ра должна быть T ≤ 850 0С на многоколлекторных электродах, а с учетом работоспособности литиевого наномодифицированного электролита в ионисторном суперконденсаторе T ≤ 150-200 0С. Температурный V = 2R , (4) режим в рекуператоре обеспечивается путем прокачф 0 где R0 - радиус пучка плазмы, служащей источником ионов с температурой Ti; m - масса иона; c - скорость света. При понижении продольной энергии пучка ионов при электростатическом торможении в рекуператоре энергии возрастает вклад перпендикулярной состав- ляющей к продольной скорости движения заряженной частицы [8; 9]. В результате угол наклона траектории к первоначальному направлению движения частицы возрастает тем больше, чем выше степень торможе- ния пучка. Степень торможения можно обеспечить до 0,95 без потери значительной доли пучка, т. е. можно использовать начальную энергию 100 эВ и затратить до 5 эВ. Коэффициент полезного действия рекуператора энергии ионов в электростатическое электричество можно рассчитать по формуле p h = ejk £ W0 -W , (5) W0 W0 где W0 - начальная энергия ионов в пучке (работа вы- хода); W - разброс ионов в пучке по энергиям. На многоколлекторных электродах образуется тормозящая разность потенциалов, тогда КПД можно оценить по формуле p h = 1- WX sin2 a , (6) ки охлаждающей жидкости через специальные каналы, выполненные в диэлектрическом корпусе. При работе рекуператора на электродах-коллекторах необходимо создать требуемый электронный спектр с минимальными потерями их энергии при движении электронов от двойного электрического слоя заря- жающего электрода ионисторного конденсатора к наружному слою, взаимодействующему с пульси- рующим объемным зарядом положительно заряжен- ных ионов в полости коллектора. Включение внешне- го электрического поля при подаче на управляющий электрод (-) или (+) смещает электронный уровень нанотрубок и повышает энергию взаимодействия по- ложительно заряженных ионов и электронов на элек- тродах коллектора и в его объеме электрического за- ряда в полости многоколлекторного электрода. Рабочие параметры рекуператоров энергии поло- жительно заряженных ионов во многом зависят от свойств электрохимических суперконденсаторов ио- нисторного типа, которые могут использоваться в качестве преобразователей и накопителей электро- энергии. Свойства конденсаторов ионисторного типа [10-14], в которых электрическое поле сосредо- точенно не в поляризованном диэлектрике, как у тра- диционных конденсаторов, а в двойном электриче- ском слое на границе «электрод-электролит», опреде- ляются составом электролита и материалов элект- рода [15-18]. W0 В энергонакопительной системе конденсаторов рекуператора энергии положительно заряженных где α - угол скоса коллектора; WX - энергия ионов при взаимодействии с электродом. Прикладной интерес для изготовления рекупера- тора энергии представляют эмиссионные характери- стики нанотрубок. Известно, что с площади 1 мм2 при напряжении U = 500 В может быть получен ток эмиссии 0,5 МА. Эти данные находятся в хорошем соответствии с известным выражением Фаулера- Нордхейма: 2 æ j3/ 2 ö ионов возможно использование жидких или твердых электролитов. Конденсаторы с двойным электриче- ским слоем на основе твердого электролита RbAg4I5 разрабатывают и применяют в настоящее время. Конкурентоспособность ионисторных суперкон- денсаторов с твердым электролитом RbAg4I5, несмот- ря на низкое рабочее напряжение и высокую цену, определяется совокупностью следующих параметров: - широким интервалом рабочих температур: от -60 до +125 °С; I = c × E exp ç -k ÷ , (7) E* è ø - высокой стойкостью к воздействиям механических факторов, в том числе к ударным нагрузкам с где c и k - постоянные; φ - работа выхода электрона; E* - напряженность электрического поля в точке, где происходит эмиссия электронов [7]. Нанотрубки также могут себя проявлять как ис- точники интенсивной термоэлектронной эмиссии при относительно низких температурах. Например, вклад термоэлектронной эмиссии становится заметным при температуре поверхности электродов 473 K и преобускорением до 50 000 g; - высокой стойкостью к воздействиям ионизи- рующих излучений, т. е. ионисторы сохраняют заряд во время и после воздействия этих факторов; - низкими токами саморазрядки (~10-9А). Также может применяться твердый электролит на основе лития, диапазон рабочих температур которого составляет от -70 до 150 °С. Свойства электролитов суперконденсатора Наименование параметров Состав электролита RbAq4I5 (на основе рубидия) LiCLO4 (на основе лития) Интервал рабочих температур -60-125 °С -70-150 °С Стойкость к ударным нагрузкам 50000 g 45000g Ток самозарядный ~10-9 А ~10-9 А Ионная проводимость 0,01 Ом/см 0,001 - 0,0001 Ом/см Высокая стойкость к ионизированному излучению Да Да Диапазон напряжений 1,1-5,6 В 1,1-4,6 В Максимальный ток 220 Ма/см2 200 Ма/см2 Основные свойства перспективных электролитов суперконденсатора показаны в таблице. Твердые электролиты - это твердые фазы (кри- сталлические или стеклообразные), в которых элек- трический ток проводят ионы. Ионная проводимость твердых электролитов обусловлена значительной ра- зупорядоченностью одной из подрешеток кристалла, что может быть вызвано фазовым переходом, дефек- тами кристаллической решетки или введением в ма- териал специфических примесей [18-20]. Для твердых электролитов существует критическая температура, при которой происходит скачкообразное изменение ионной проводимости в несколько раз или даже на несколько порядков. Перспективными являются твер- дые электролиты в так называемом суперионном со- стоянии (СИС), т. е. в состоянии, в котором ионная проводимость превышает 0,01 Ом/см, и особенно су- перионные проводники, для которых СИС реализует- ся при комнатной температуре. Это дает возможность твердые электролиты ис- пользовать для создания новых индивидуальных ком- понентов рекуператора энергии, ионов и электронов, а также источников тока и конденсаторов с высокой удельной энергией. Суперионный проводник RbAg4I5 имеет удельную электропроводность намного поряд- ков выше, чем изученные до его открытия соеди- нения. Суперионный проводник RbAg4I5 относитель- но более устойчив к действиям света и влаги, что позволяет успешно его применять в производстве твердотельных ионисторов для создания рекупера- торов энергии заряженных частиц, позволяющих преобразовать их энергию в электростатическое электричество. Для изготовления электродов ионисторных кон- денсаторов (ИК), используемых в качестве накопите- лей энергии, могут использоваться три вида материа- лов: на основе углерода, оксида металлов и проводя- щих полимерных соединений. Углерод и его различные полиморфные модифи- кации наиболее широко используются в качестве ма- териалов для изготовления электродов ионисторных конденсаторов, так как углеродный материал облада- ет высокой электропроводностью, развитой удельной поверхностью (до 3000 м2/г), хорошей коррозионной стойкостью, высокой температурной стабильностью, технологичностью и совместимостью в композитных материалах, относительно низкой стоимостью. Углеродный материал может применяться в раз- личных модификациях, включая порошки активиро- ванного угля, углеволоконную ткань, аэрогели, на- нотрубки, графен [16-20]. Удельная поверхность углеродного материала ока- зывает большое влияние на электроемкость, структу- ру материала, распределение пор по размерам, приро- ду поверхностных функциональных групп и электро- проводность, а также другие параметры, которые оп- ределяют производительность ионисторного конден- сатора. В настоящее время исследования направлены на разработку технологий получения углеродных ма- териалов с требуемой структурой пор, распределени- ем их по размерам, обеспечивающим создание элек- тродов с высокой электроемкостью и низким сопро- тивлением, и обеспечивающих герметичность полос- ти конденсатора. Варьируя углеродным сырьем, усло- виями активации (температурой, составом атмосферы и временем), можно обеспечить требуемую порис- тость и распределение по размерам при изготовлении электродов, например из древесных углей [21; 22]. К высокопористым углеродным материалам отно- сятся углеродные аэрогели, полученные пиролизом органических аэрогелей. Их получают поликонденса- цией резорцина и формальдегида в золь-гель- процессе, позволяющем контролировать плотность, размер пор и форму частиц. Матрица твердого аэро- геля состоит из соединенных между собой частиц коллоидного углерода или полимерных цепей [23]. После пиролиза материал на основе аэрогелей имеет более высокую электропроводность, чем у ак- тивированных углеродов. Углеродные аэорогели мо- гут быть выполнены в форме монолитов, композитов, тонких пленок, порошков или микросфер, что позво- ляет при вариативности процесса изготавливать элек- троды из порошков или других компонентов аэроге- лей, используя связующие, а также делать монолит- ный электрод. Углеродные волокна могут быть получены из тер- мореактивных органических материалов (целлюлозы, фенольной смолы, полиакрилонитрила и пековых ма- териалов). Для создания электродов ионисторного конденса- тора необходимо применять материалы с высокой удельной емкостью. На рис. 2 представлены некото- рые перспективные материалы. Эффективность работы рекуператора энергии по- ложительно заряженных ионов во многом определя- ется построением его структурной схемы. На рис. 3. показана структурная схема рекуперато- ра энергии катионов. Она включает в себя заряжаю- щий многоколлекторный электрод 1, наномодифици- рованный твердый электролит 2, сепаратор 3, выпол- ненный из диэлектрического материала, электроста- тический электрод. Заряжающий многоколлекторный электрод 1 и электростатический электрод 4 выпол- нены многослойными, гибридными, из наномодифицированных материалов (типа слой модифициро- ванных MnO2 углеродных нанотрубок + электро- проводящий полимер + углеродные наномодифици- рованные нанотрубки и нанопористый углеродный материал), что обеспечивает высокие емкость и элек- тропроводность электродов и хорошие эмиссионные свойства индивидуальных компонентов рекуператора энергии. Электролит изготовлен из наномодифициро- ванного материала на основе рубидия (RbAg4 i5), позволяющего работать при температуре от -60 до +125 0С. Рис. 2. Зависимость удельной емкости электрода суперконденсатора от применяемого материала Fig. 2. Dependence of the specific capacity of the supercapacitor electrode on the material used Рис. 3. Структурная схема рекуператора энергии положительно заряженных ионов Fig. 3. Structural diagram heat exchanger energy positive ions Процесс зарядки/разрядки в ионисторных конден- саторах происходит в слое ионов, сформированном на поверхностях положительного и отрицательного мно- Время разряда для постоянного тока и постоянно- го сопротивления нагрузки при разряде приведены в выражениях (12) и (13) соответственно: гослойно гибридных электродах, к примеру, на основе активированного угля / электропроводящего полиме- ра / углеродных нанотрубок. Под действием прило- женного напряжения анионы и катионы движутся к соответствующему электроду и накапливаются на его поверхности, образуя, таким образом, с зарядом элекt = C (U0 -U1 ) , I U ç ÷ t = -CR ln æ U1 ö , è 0 ø (12) (13) трода двойной электрический слой [11]. Вследствие где t - время; C - емкость; U0 - внутреннее напряжеэтого и появилось название «конденсатор с двойным электрическим слоем» [12]. При приложении посто- янного внешнего напряжения двойной электрический слой работает как изолирующий и не позволяет протекать сквозному току. Обычный диапазон напряжение; U1 - напряжение после t(с); I - ток нагрузки; R - сопротивление нагрузки. Характеристика разряда ионистора по времени может быть представлена следующим образом: ния работы ионисторов - от 2,3 до 5 В [13; 14]. Тол- щина двойного электрического слоя мала и сопостаt = C (U1 -U2 ) . I (14) вима с размером молекулы, т. е. около 5-10 нм [15-17]. Электролит проникает между частицами активи- рованного угля, и электрод таким образом «пропи- Характеристика саморазряда ионистора может быть представлена следующим образом: тан» электролитом. Общую емкость ионисторного конденсатора мож- но представить как U = U × exp æ - t ö , CR 0 ç ÷ è 1 ø (15) где S R1 - сопротивление изоляции (сумма сопротивле- C = , (8) d где d - толщина двойного электрического слоя, 5-10 нм; S - общая площадь. ния частиц гибридного электрода). Предполагаемый срок эксплуатации может быть рассчитан по формуле CU C (U - iR -U ) При зарядке ионами аргона заряжающего электро- да рекуператора зарядный ток i можно описать по t = = 0 1 , э i I + i2 (16) формуле где C - емкость ионистора, Ф; i - ток в течение эксi = Ua × exp æ - t ö, (9) плуатации; i2 - ток утечки, А; R - внутреннее сопро- R ç CR ÷ тивление ионистора, Ом на 1 кГц; U - напряжение, где Ua è ø - напряжение на заряжающем электроде; 1 на которое разрядился ионистор, В; U0 - приложен- C - емкость конденсатора; R - сопротивление в кон- денсаторе; t - время зарядки конденсатора. Емкость ионисторного конденсатора может быть оценена следующим образом: I × t ное напряжение, В. На рис. 4 показана схема контроля параметров и управления процессом работы рекуператора поло- жительно заряженных ионов, совмещенная с процес- сом зарядки аккумулятора. C = , U1 -U2 (10) Рекуператор (рис. 4) работает следующим обра- зом [3]: положительно заряженные частицы продукгде: C - электростатическая емкость, Ф; I - тестовый ток, А; U1-U2 - тестовый диапазон напряжений, В; t - время, c. Емкость зависит от тока разряда, чтобы умень- шить погрешность измерений, необходимо использо- вать стандартный ток разряда 1 мА/Ф. Внутреннее сопротивление ионисторного конден- сатора по сравнению с электролитическим велико, так как эквивалентная схема ионистора состоит из соеди- нений большого количества малых конденсаторов, имеющих различные значения внутреннего сопротивле- ния, поэтому ток зарядки может достигать до 10 мкА. Характеристика заряда ионистора при условии не- которых допущений может быть представлена выра- жением тов сгорания топлива под действием отрицательно электрического потенциала 1-1,5 кВ, подаваемого на кольцевой изолированный электрод 3, установленный на входе диффузора 1, направляются в конический канал 2 экспандера, где разгоняются дополнительно при помощи ускоряющего потенциала 1 кВ, поданно- го на кольцевой изолированный электрод 5 для фор- мирования униполярного пучка положительно заря- женных ионов. При движении пучка по коническому каналу 2 он уплотняется, некоторые ионы с большой энергией при этом могут взаимодействовать с элек- тронами, выходящими с поверхности алмазоподобной пленки 9, сформированной на кремниевой решетке 10, нанесенной толщиной 0,2-0,4 мкм на внутреннюю поверхность канала. При движении пучка ионов по каналу на него может осуществляться воздействие со U = æ æ t öö стороны изолированного ускоряющее-тормозящего 0 CR U ç1- expç - ÷÷. è è øø (11) электрода 7 для выравнивания и управления энергией потока. Диффузор 1, конический канал 2, установленные на них кольцевые электроды 3, 5, 7 на изоляторах 4, 6, 8 в совокупности образуют преобразователь потока заряженных частиц, который обеспечивает подачу в рекуператор пучка положительно заряженных ионов с соответствующей их массой, составом и энергией. Рис. 4. Схема контроля параметров и управления процессами работы рекуператора положительно заряженных ионов продуктов сгорания топлива: 1 - диффузор; 2 - конический канал, 3, 5, 7 - кольцевые изолированные электроды; 4, 6, 8 - изоляторы; 9 - алмазоподобная пленка; 10 - кремниевая решетка; 11 - входной канал отражателя; 12 - устройство круговой развертки; 13 - диэлектрический корпус рекуператора; 14, 15, 21 - положительно заряженные многоколлекторные электроды; 16, 19, 22 - отрицательно заряженные многоколлекторные электроды; 17 - кольцевой сепаратор; 18 - кольцевой изолятор конденсаторов; 20 - твердый наномодифицированный электролит; 23 - управляющий электрод; 24 - изолятор; 25 - конический наконечник; 26 - изолятор; 27 - канал для прокачки охлаждающей жидкости; 28 - канал для выхода газа; 29 - отрицательно заряженные кольцевые электроды; 30 - углеродные нанотрубки; 31-33 - отрицательно заряженные электроды; 34-36 - положительно заряженные электроды; 37 - датчик контроля объемного заряда; 38 - патрубок; 39 - насос для подачи охлаждающей жидкости; 40 - вольтметр; 41 - амперметр; 42 - аккумуляторная батарея; 43 - источник высокого напряжения (ИВН); 44 - блок управления ИВН; 45 - низкочастотный источник тока (НИТ); 46 - блок управления НИТ; 47 - частотомер Fig. 4. Control scheme of parameters and processes control of the recuperator of positively charged ions of fuel combustion products: 1 - diffuser; 2 - conical channel; 3, 5, 7 - annular insulated electrodes; 4, 6, 8 - insulators; 9 - diamond-like film; 10 - silicon grid; 11 - reflector input channel; 12 - circular scanner; 13 - dielectric case of the heat exchanger; 14, 15, 21 - positively charged multi-collector electrodes; 16, 19, 22 - negatively charged multi-collector electrodes; 18 - ring insulator of capacitors; 20 - solid nanomodified electrolyte; 23 - control electrode; 24 - insulator; 25 - conical tip; 26 - insulator; 27 - coolant flow channel; 28 - gas outlet channel; 29 - negatively charged ring electrodes; 30 - carbon nanotubes; 31-33 - negatively charged electrodes; 34-36 - positively charged electrodes; 37 - sensor monitoring space charge; 38 - pipe; 39 - pump for coolant; 40 - voltmeter; 41 - ammeter; 42 - battery; 43 - high voltage source (IVN); 44 - IVN control unit; 45 - low frequency current source (NIT ); 46 - BAT control unit; 47 - frequency meter Затем униполярный пучок положительно заряжен- ных ионов через входной канал отражателя 11, вы- полненный из графита, поступает в рекуператор, ус- тановленный в диэлектрический корпус 13, проходит через устройство круговой развертки 12, при этом поток рассеивается, энергия их может быть от 60 до 1000 эВ, которая подбирается для каждого вида ионов или совокупности ионов. Положительно заря- женные ионы взаимодействуют с первым многокол- лекторным заряжающим электродом 14 первого боко- вого ионисторного конденсатора, установленного на кольцевом изоляторе 18, образованного двумя коль- цевыми полостями, разделенными кольцевым сепара- тором 17, заполненными твердым наномодифициро- ванным электролитом 20. Взаимодействие рассеян- ных положительно заряженных ионов, обладающих меньшей энергией, с заряжающим многоколлектор- ным электродом 14 происходит в результате неупру- гого столкновения, в основном за счет электростати- ческого и электронного механизма торможениях, ко- торый связан с электронами коллекторов 14, покры- тых многослойным покрытием из углеродных нанот- рубок 30, модифицированных железом. Ионы со средней энергией проходят в полость второго рекупе- ратора энергии и взаимодействуют со вторым много- коллекторным заряжающим электродом 15 тоже на основе электростатического и электронного механиз- ма торможения. Поверхности второго многоколлек- торного электрода также покрыты многослойным по- крытием из углеродных наномодифицированных тру- бок 30, а сам многоколлекторный электрод связан со вторым боковым конденсатором ионисторного типа, образованным кольцевым электростатическим элек- тродом 19 с полостями, разделенными кольцевым сепаратором 17, заполненными твердым наномоди- фицированным электролитом на литиевой основе. Величина электронного торможения пропорциональ- на скорости иона или квадратному корню его энергии. Энергия иона в рекуператоре также может тратиться за счет его столкновения с атомами газа, образующе- гося за счет регенерации ионизированного вещества и его взаимодействия с электродами-коллекторами [3]. Для выхода молекул газа из полости рекуператора в его корпусе выполнены каналы 28 с установленны- ми на них изолированными отрицательно заряжен- ными кольцевыми электродами 29, на которые пода- ется потенциал 1-1,5 кВ для торможения положи- тельно заряженных ионов. Положительно заряженные ионы с высокой энергией поступают на заряжающий электрод-коллектор 21 торцевого ионисторного кон- денсатора, обладающего более высокой емкостью, чем боковые конденсаторы, и меньшим внутренним сопротивлением, образованного электростатическим электродом 22 и полостями, разделенными кольцевым сепаратором 17 и заполненными твердым наномоди- фицированным электролитом 20. По центру торцево- го конденсатора установлен управляющий изолиро- ванный электрод 23 на изоляторе 24 с коническим наконечником 25, выполненным из графита и уста- новленном на изоляторе 26. На управляющий элек- трод 23 может подаваться потенциал от 100 до 850 В с частотой 10-500 Гц в зависимости от энергии и вида положительно заряженных ионов. Воздействие поло- жительно заряженных ионов на торцевой электрод- коллектор 21 может быть более сильным, поэтому по толщине он превосходит многоколлекторные элек- троды 14 и 15 в 4 и более раза. Известно, что бомбардировка ионами носит им- пульсный нетермический характер, и в связи с тем, что Eпор = 23 эВ при T = 200 0C, торцевой электрод- коллектор 21 ионисторного конденсатора более ин- тенсивно охлаждается, чем два боковых ионисторных конденсатора с многоколлекторными электродами 14 и 15 путем прокачки охлаждающей жидкости через каналы 27, выполненные в диэлектрическом корпусе. Воздействие ионов на торцевой заряжающий элек- трод ограничено энергией положительно заряженных частиц 70-1000 эВ, так как, как уже говорилось, при такой энергии существенного выбивания атомов элек- трода из графита не наблюдается. Все многоколлек- торные электроды рекуператора устанавливались таким образом, чтобы угол падения положительно заряженных ионов на них был более 60º, для увеличе- ния отражения от них ионов, которые в случае застре- вания их в поверхности электродов 14, 15 и 21 могут существенно изменить их электронный спектр. Для обеспечения электронного спектра электродов реку- ператора их многослойные покрытия изготавливались из нанотрубок большого диаметра (1-1,5 нм и более), трубки использовались наномодифицированные, со средним расстоянием между ними 0,5 мкм, связями, обеспечивающими сопротивляемость УНТ бомбарди- ровке заряженными частицами за счет параметров ориентации связей, снижающих их деформацию при взаимодействии с ионами. Бомбардировка графитового наконечника 25 и вы- бивание из него электронов и ионов углерода может способствовать зашиванию дефектов УНТ при выби- вании из них атомов, кроме того, графит способен выдерживать высокие температуры при эксплуатации (до 3000 ºС). Часть положительно заряженных ионов при взаимодействии с электродами рекуператора за- ряжает их положительно, а сами ионы вещества при этом подвергались регенерации с образованием ато- мов вещества. Отраженная часть положительно заря- женных частиц задерживается в рекуператоре за счет работы устройства круговой развертки 12. Электронный поток со стороны электродов реку- ператора образовывается за счет эмиссионных харак- теристик нанотрубок и переноса электронов из двой- ного слоя заряжающего электрода ионисторного конденсатора. Напряженность электрического поля в точке, из которой происходит эмиссия электронов, может быть разная по поверхности многоколлектор- ного электрода, но она должна быть выше работы выхода электрона. При воздействии переменного электрического поля со стороны управляющего элек- трода 23 происходит активация энергии взаимодейст- вия положительно заряженных ионов с электронами у поверхности электродов рекуператора за счет пульса- ции положительно заряженного объемного заряда в полости рекуператора с частотой f = 10-500 Гц и напряжением 200-500 В. Это приводит к зарядке иони- сторных конденсаторов при минимальном напряже- нии 0,16 В с возможностью транспортировки элек- тронов в зоны, где происходит их взаимодействие с положительно заряженными ионами. При накоплении электростатического электричества на ионисторных конденсаторах до определенной емкости и напряже- ния на электродах не более 3-5 В заряд с них может сниматься с использованием отрицательно заряжен- ных электродов 31, 32, 33 и положительно заряженных электродов 34, 35, 36, и электрическая энергия направляется на зарядку аккумуляторов 42 и пита- ния электрической системы ЭРД. Поскольку макси- мальная плотность тока для УНТ ограничена 106-109 А/см2, то площадь заряжающих электродов ионисторных конденсаторов может быть определена расчетом, а энергия пульсирующего заряда в полости коллектора и энергия проводящего уровня нанотру- бок согласованы на основе энергетического баланса работы рекуператора. Следует отметить, что рекупе- раторы для каждого вида положительно заряженных ионов могут иметь свои рабочие параметры и много- образные характеристики [2]. Отраженные заряженные частицы от графитового наконечника 25, управляющего электрода 23 и торце- вого электрода коллектора 21 попадают на электроды многоколлекторной системы 14 и 15, где разряжаются и частично оседают на их поверхности. За счет пуль- сирующего переменного электрического поля со сто- роны управляющего изолированного электрода их энергия активируется, и они тоже разряжаются, а час- тицы, находящиеся в объеме, получают дополнитель- ную энергию, позволяющую им активно участвовать в процессах рекуперации энергии и регенерации за- ряженных частиц. Многоколлекторные системы с широким энергетическим спектром торможения 14 и 15 рекуператора, являющиеся заряжающими элек- тродами последовательно установленных кольцевых боковых конденсаторов ионисторного типа, а также цилиндрического заряжающего электрода-коллектора 21 торцевого кольцевого ионисторного конденсатора, обеспечивают широкую зону торможения за счет за- полнения рабочих полостей суперконденсаторов на- номодифицированным электролитом, например, на литиевой основе 20, различного химического состава с требуемой удельной емкостью, высоким выходным напряжением, токовой нагрузкой, электрохимическим потенциалом на положительно заряженных электро- дах 14, 15, 21, а также отрицательно заряженных электродах 16, 19, 22, обеспечивающих высокую плотность энергии при температурном режиме T ≤ 200 0С. Для управления процессом рекуперации энергии - потенциалами на электродах рекуператора 14, 15, 21, объемным зарядом в полости рекуператора, режимом зарядки и разрядки, напряжением на элек- тродах, температурным режимом на ионисторных конденсаторах, может использоваться контроллер ПЛК-150, соединенный с цифровыми приборами для измерения тока, напряжения, контроля объемного заряда 37, а также коммутатором. Управление режи- мом рекуперации и работой ионисторных конденсаторов может осуществляться комплексно при помощи контроллера путем регулирования напряжения, изме- ряемого вольтметром 40, на ускоряющих 3 и 5, ускоряюще-тормозящем 7 и управляющем электродах 23, на который подается напряжение от НИТ 45, управ- ляемое блоком управления 46 и контролируемое час- тотомером 47, а также регулирования величины тока, напряжения при зарядке и разрядке конденсаторов ионисторного типа на потребителя электроэнергии, в том числе за счет поддержания остаточного потен- циала на электродах и на электродах-коллекторах. Все параметры работы рекуператора и ионисторного конденсатора могут быть сбалансированы за счет управления процессом рекуперации контроллером ПЛК-150, а также при помощи блока управления 44 источника высокого напряжения (ИВН) 45 [24]. Ио- нисторные конденсаторы в системе рекуперации мо- гут быть использованы как преобразующий элемент, накопитель электроэнергии и источник напряжения. Их зарядка и разрядка в импульсном режиме способ- ствует интенсификации рекуперации энергии поло- жительно заряженных ионов. В процессе экспериментальных исследований ре- куперации энергии положительно заряженных частиц [3] использовались пучки медленных положительно заряженных ионов аргона, извлекаемых из потока работающего генератора ионов в специальной ваку- умной камере высоким ускоряемым потенциалом 5 кВ на кольцевом электроде 3 и ускоряемых U = 3 кВ при помощи дополнительного ускоряющего электро- да 5 с последующим торможением до 800 эВ при по- мощи ускоряюще-тормозящего электрода 7 и тормо- жением перед торцевым заряжающим электродом- коллектором менее 200 эВ управляющим изолирован- ным электродом-отражателем 23. При этом на элек- тродах первого бокового конденсатора было получено напряжение U = 2,2-2,4 В, на втором боковом конденсаторе - U = 2,6-2,8 В, на торцевом конденса- торе - U = 3,5-3,8 В течение времени 15-20 минут. Контроллер ПЛК-150 (рис. 4) использовался при про- ведении эксперимента [3], вольтметры 40 и ампер- метры 41 применялись для контроля электрических параметров, а регулятор расхода охлаждающей жид- кости 38 - для стабилизации температурного режима при подаче хладагента при помощи насоса 39. Положительный эффект обусловлен тем, что при работе рекуператора положительно заряженных ио- нов одновременно осуществляется рекуперация их электрической энергии с регенерацией положительно заряженных частиц, что обеспечивает повышение КПД, снижение габаритно-массовых характеристик рекуператора и может способствовать эффективной работе ЭРД, улучшению его энергообеспечения, а также надежной работе космического аппарата. Для управления процессами зарядки и разрядки конденсаторов ионисторного типа рекомендуется ис- пользовать контроллер ПЛК-150 совместно с цифро- выми приборами: цифровым вольтметром SM501, цифровым амперметром SM020. Контроллер является устройством управления в электронике и вычисли- тельной технике. Промышленный контроллер пред- ставляет собой управляющее устройство, применяемое в промышленности и других отраслях для авто- матизации технологических процессов. Программи- руемый логический контроллер (ПЛК) относится к промышленному оптимизированному управляющему устройству для выполнения логических операций. В качестве основного режима работы ПЛК выступает его длительное автономное использование, зачастую в неблагоприятных условиях окружающей среды, без серьезного обслуживания и практически без вмеша- тельства человека. Заключение. В результате выполненных исследо- ваний предложена принципиальная схема рекупера- ции энергии пучков положительно заряженных ионов с одновременной нейтрализацией их электрического заряда. Обоснованы электрические параметры, меха- низм рекуперации и нейтрализации пространственно- го заряда пучка положительно заряженных ионов. Показана структурная схема рекуператора энергии положительно заряженных ионов, представляющая собой систему многоколлекторных и управляющего электродов, выполненных из нанокомпозиционных углеродных материалов, интегрированных с конден- сатором ионисторного типа. Разработаны конструк- торско-технологические решения при изготовлении индивидуальных компонентов и для контроля пара- метров рекуператора энергии положительно заряжен- ных ионов. Развитие перспективных методов преобразования энергии пучков плазмы положительно заряженных ионов в электрическую мощность будет способство- вать повышению энергетической эффективности ЭРД, а также созданию новых энергетических источников электроэнергии, работающих на потоке плазмы.

About the authors

I. V. Trifanov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: sibgau-uks@mail.ru
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

O. A. Sukhanova

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

M. G. Melkozerov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

E. A. Zhirnova

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

V. I. Trifanov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

Supplementary files