Создан 94-ГГц интерферометр для измерения плотности плазмы в российском проекте геликонного двигателя

Создан 94-ГГц интерферометр для измерения плотности плазмы в российском проекте геликонного двигателяКурчатовский институт реализует проект по созданию прототипа безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД) мощностью 100 кВт, и одной из важных задач проекта стало измерение плотности плазмы. Цель измерений — проверка соответствия фактической плотности плазмы расчетной для достижения требуемых параметров тяги и моторесурса.

Петербургская компания «ДОК» разработала и поставила для этих целей в НИЦ «Курчатовский институт» 94 ГГц СВЧ-интерферометр, выполненный на уровне лучших мировых образцов.

Геликонный двигатель является перспективным видом плазменных двигателей, входящих, наряду с ионными двигателями (ИД), в класс так называемых электрических ракетных двигателей. Под термином «геликон» подразумевается вид мощной электромагнитной волны, возбуждающей процесс образования плазмы в рабочем газе с последующим выбросом его через сопло для создания движения.

Для небольших корректировок положения космических аппаратов на орбите сегодня применяются маломощные плазменные двигатели. Проект Курчатовского института направлен на создание серии маршевых геликонных двигателей с тягой до 1 МВт и предполагает их использование в открытом космосе как основных двигательных установок для межпланетных перелетов и буксировки грузов на околоземной орбите.

Основное преимущество плазменных двигателей перед традиционными ракетными двигателями на жидком или твердом топливе — высокая скорость истечения рабочего тела, которая может достигать 50 км/с (в сравнении с 5 км/с у традиционных двигателей). Другое преимущество — экономичность, поскольку в этом двигателе разделены источник энергии для возбуждения плазмы (ядерная установка или солнечные батареи) и рабочее тело, в качестве которого можно использовать многие виды газов, включая широко распространенный азот и даже атмосферный воздух.

Для измерения плотности электронов в плазме используется интерферометр. Метод интерферометрии основан на измерении фазового сдвига при прохождении электромагнитной волны через исследуемый объект. Фазовый сдвиг, вносимый плазмой, может быть измерен цифровым фазовым детектором, и затем по определенным формулам рассчитывается электронная плотность плазмы.

В установках плазма удерживается сильным магнитным полем, чтобы избежать контакта со стенками установки ввиду ее экстремально высоких температур. В частности, согласно опубликованным данным, в 2021 г. в плазменной установке Norman С-2W в США зарегистрирована температура плазмы +50 млн °C.

Сильное магнитное поле плазменной установки отрицательно влияет на работу любой установленной вблизи электронной аппаратуры, включая интерферометр. Поэтому ранее интерферометр приходилось отодвигать как можно дальше от магнитного поля установки, доставляя СВЧ-сигнал по длинным волноводам, что приводило к значительному его ослаблению. Разработчикам «ДОК» одним из первых в мире удалось решить важную задачу нечувствительности компонентов интерферометра к сильнейшему магнитному полю, которое используется в установках создания плазмы.

Выбор рабочей частоты 94 ГГц был обусловлен в первую очередь концентрацией электронов в плазме. Частота 94 ГГц оптимально подходит для измерения плазмы с плотностью электронов до 1013 см−3. Именно такая плотность плазмы характерна для геликонных источников.

В настоящий момент 94-гигагерцевый СВЧ-интерферометр в количестве трех каналов смонтирован на установке Е-1 прототипа геликонного двигателя в НИЦ «Курчатовский институт» и запущен в работу. Экспериментально измеренное среднеквадратичное отклонение фазы, обусловленное шумами прибора, составило 1°. Такая точность определения фазы позволяет проводить измерения плотности с погрешностью меньше 1%, поскольку в плазме геликонного двигателя набег фазы составляет несколько сот градусов.

В планах компании «ДОК» — разработка и поставка в НИЦ «Курчатовский институт» интерферометра для токамака Т-15МД, нового проекта Курчатовского комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий. Для Т-15МД потребуется многоканальный интерферометр на частотах порядка 330 ГГц в так называемом субтерагерцовом диапазоне, т. е. на грани перехода радиоволн в область оптического спектра инфракрасного диапазона.

Такой интерферометр на 330 ГГц может также найти применение в исследовании плазмы под антенной установки геликонного двигателя, где плотность плазмы выше значения в 1013см−3.


Компания «ДОК» приглашает технических специалистов присоединиться к работе над интересными проектами в области СВЧ-технологий, в том числе для зарубежных заказчиков. В компании открыты вакансии для разработчиков СВЧ-техники, конструкторов и сборщиков РЭА, а также программистов. Приглашаются как опытные специалисты, так и выпускники технических вузов.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *