Двигатель с анодным слоем: Распределение нейтрального газа в двигателе с анодным слоем

Содержание

Распределение нейтрального газа в двигателе с анодным слоем

Автор:

Рахимов Руслан Геннадьевич

Рубрика: Технические науки

Опубликовано
в

Молодой учёный

№7 (111) апрель-1 2016 г.

Дата публикации: 31.03.2016
2016-03-31

Статья просмотрена:

247 раз

Скачать электронную версию

Скачать Часть 2 (pdf)

Библиографическое описание:

Рахимов, Р. Г. Распределение нейтрального газа в двигателе с анодным слоем / Р. Г. Рахимов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 7 (111). — С. 152-156. — URL: https://moluch.ru/archive/111/27827/ (дата обращения: 03.10.2022).

В статье проводится исследование распределения нейтрального газа в анодном узле двухступенчатого холловского двигателя. В результате численного расчета методом конечных элементов рассмотрены несколько вариантов конструкции анодного узла двигателя; рассчитаны параметры потока газа для каждого случая; подсчитаны неоднородности потока по азимуту на входе в разрядные ступени. Представлена наиболее оптимальная геометрия анодного узла для стабильной работы двигателя.

Ключевые слова: электроракетный двигатель, метод конечных элементов, холловский двигатель, анодный узел, распределение нейтрального газа, плазма.

Исследования и разработка электроракетных холловских двигателей, основанных на движении электронов в скрещенных электромагнитных полях, были начаты еще в середине 60- х годов прошлого века и продолжаются до настоящего времени. Такие двигатели нашли широкое применение как маршевые двигатели малой тяги на космических аппаратах, а также для корректировки орбит геостационарных спутников [1,2]. Модифицированная схема холловского двигателя используется в качестве технологического источника ионов [3].

Еще на первом этапе разработки выделились две схемы холловского двигателя. Одна из которых имела металлические стенки разрядной камеры — двигатель с анодным слоем (ДАС), другая — диэлектрические стенки — стационарный плазменный двигатель (СПД).

Одной из наиболее перспективных модификаций ДАС является его двухступенчатая схема. Основная отличительная особенность этого двигателя состоит в том, что в нем разнесены области ионизации и ускорения ионов. Это позволяет устранить недостатки одноступенчатой модели: неравномерность распределения пучка ионов по энергиям и высокая теплонагруженность анода [4]. Из-за различия масс и кинетических энергий ионов, особенно для рабочих веществ с низкими атомными массами и газовых смесей, происходит расхождение и азимутальная закрутка пучка ионов. Следствием чего является потеря тягового КПД двигателя. Для решения проблемы азимутального поворота ионов применяют дополнительную компенсационную магнитную систему [5–7].

Большое количество статей об исследовании процессов, происходящих в электроракетных двигателях, посвящены параметрам разряда, конфигурации магнитных полей, эрозии электродов, распределению плотности плазмы и ионному току. Однако, динамике и распределению нейтрального газа в анодном узле в литературе уделено мало внимания [8,9], хотя, для стабильной работы двигателя на стационарных режимах необходима высокая азимутальная однородность распределения атомов рабочего вещества на входе в анодный узел разрядной ступени. Динамика рабочего газа обычно описывается такими параметрами, как распределение плотности частиц, скорость и поток нейтральных атомов, которые непосредственно связаны с различными параметрами плазмы. Оптимальное распределение рабочего вещества может положительно повлиять на производительность, срок службы и стабильность работы двигателя.

В данной работе исследовался двухступенчатый двигатель с анодным слоем (ДАС), имеющий дополнительную магнитную систему для компенсации азимутального поворота ионов (рис.1).

Рис. 1. Принципиальная схема двухступенчатого ДАС: 1 — полюса магнитопровода; 2 — магнитопровод; 3 — компенсационная катушка; 4 — основная катушка; 5 — анодный узел; 6,7 — кольцевые электроды; 8 — анод первой ступени; 9 — изоляторы токоподвода

Анодный узел (рис. 1) двигателя служит одновременно как положительным электродом, так и газовым распределителем. Его геометрия имеет существенное влияние на динамику потока нейтральных атомов в разрядной камере. Из-за особенности конструкции, в газораспределительном канале содержится три изолятора, расположенные под углом 120⁰ относительно друг друга. Эта особенность приводит к усложнению геометрии электродного узла, а также к возможности «запирания» газа в областях между изоляторами.

В ходе исследования рассматривалось влияние системы подачи газа и геометрии анодного узла на равномерность распределения потока нейтральных атомов на входах и выходах ступеней двигателя. Был поставлен численный эксперимент в котором двигатель находился в условиях вакуума (порядка 10–⁵ Па). Рабочим газом был аргон, с молекулярной массой M= 0,0399 кг/моль, который подавался в анодный узел посредством штуцеров, с массовым расходом кг/с. При рассмотренном давлении длина свободного пробега гораздо больше, чем размеры канала, поэтому течение газа рассматривалось как свободно молекулярное. При этом число Кнудсена много больше единицы, атомы газа взаимодействуют с стенками канала чаще, чем между собой, и поток газа определяется в основном столкновениями с поверхностями.

Расчет производился методом конечных элементов. Предполагалось, что поток квазистационарный, время пролета частиц через геометрию гораздо больше, чем изменение всех потоков, на каждом временном шаге частицы поступают из источника мгновенно.

На границы канала накладывалось условие равенства между входящим потоком и потоком, отраженным от стен канала.

Рис. 2. Геометрия и поперечное сечение канала с одним штуцером

Геометрия канала разбивалась на множество треугольных элементов, образуя тем самым сетку, в узлах которой находилась искомая величина. Размер наименьшего элемента выбирался примерно одинаковым во всех случаях расчета, области близкие к входным и выходным сечениям анодных ступеней имели более густую сетку (рис. 3). Определялись входящие и исходящие потоки,плотность и давление.

Рис. 3. Вид конечно-элементной сетки

Были рассмотрены три вида геометрии анодного узла (рис. 4 а-в), с различным числом и расположением входных штуцеров.

Рис. 4. Расположение штуцеров при расчете

На первом этапе исследования рассматривалась геометрия с одним входным штуцером, расположение которого показано на рис. 4а. Для оценки распределения газа и параметров потока были вычислены значения всех искомых величин на входах и выходах с ускоряющей и ионизационных ступеней.

Рис. 5. Распределение потока газа в анодном узле

Для такой конструкции (рис. 4а) наблюдается сильная неоднородность потока частиц по азимуту как на первой ступени двигателя, так и на второй, что связано с практически полным «запиранием» газа в одной из областей между изоляторами (рис. 5)

Рис. 6. Распределение давления на входе в ионизационную ступень

Зазоры между изоляторами и стенками двигателя не справляются с перераспределением газа между областями, что негативно скажется как на поджиге разряда, так и выходе двигателя на стационарный режим. Так же из-за сильной неравномерности газа происходит повышение давления (рис. 6) в области «запирания», что приведет к пробою [10].

Для решения проблемы с «запиранием» газа между изоляторами были рассмотрены варианты анодного узла с тремя точками газоввода и расширением канала вблизи изоляторов. Первый вариант имел штуцеры расположенные с учетом упрощения технологических операций при производстве двигателя (рис. 4б). В другом, штуцеры располагались максимально симметрично относительно друг друга, при этом стенки канала вблизи изоляторов были расширены (рис. 4в).

Рис. 7. Распределение потока частиц на входе в разрядную ступень при различных геометриях

Геометрия с тремя штуцерами позволяет значительно увеличить равномерность потока нейтральных атомов. При этом неравномерность распределения потока на входе в разрядную ступень составляет 56 % от среднего значения. Так же в результате анализа была выявлена область А (рис. 4б), в которую газ поступает в меньшем количестве. Эта область дает ощутимый вклад в неравномерность потока рабочего газа.

В комбинированном варианте анодного узла была минимизирована область запирания А (рис. 4в), в которой наблюдался недостаток газа. Такая геометрия повысила равномерность потока примерно на 10 %.

На рис.7 изображены распределения потока частиц на входе в разрядную ступень при двух вариантах геометрии газодинамического канала с использование трех штуцеров. Штрих-пунктиром показан график, геометрия которого сочетает, как использование трех точек ввода газа, так и увеличение канала вокруг изоляторов. Сравнительный график показывает, что наиболее оптимальной геометрией анодного узла двигателя является комбинированная схема.

Заключение

В результате анализа численного расчета была выбрана наиболее оптимальная геометрия канала, по которому рабочий газ поступает к анодному узлу. Критерием выбора была равномерность распределения параметров потока по азимуту вблизи входа в ступени анодного узла. Наименьшая неравномерность потока частиц в указанных областях была выявлена для геометрии с тремя штуцерами и увеличенным пространством между изоляторам. Неравномерность для оптимальной геометрии составляет 47 %.

Литература:

Гришин С. Д., Лесков Л. В., Козлов Н. П. Электрические ракетные двигатели» М.:«Машиностроение, 1975.
Архипов А. С., Ким В. П., Сидоренко Е. К. Стационарные плазменные двигатели Морозова М. :Издательство МАИ, 2012.
Духопельников Д. В., Воробьев Е. В., Ивахненко С. Г. Исследование и оптимизация характеристик ионного источника ИИ-200. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2011. № 10. С. 77.
Sengupta A., Cappelli M., Tverdokhlebov S. An overview of the VHITAL program: Two-stage bismuth fed very high specific impulse thruster with anode layer. IEPC-2005–238, 29th International Electric Propulsion Conf. 2005. P. 1–13.
Марахтанов М. К., Духопельников Д. В., Ивахненко С. Г., Воробьев Е. В., Крылов В. И. Влияние азимутального отклонения ионов плазменной струи на тяговый кпд двигателя с анодным слоем. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2012. № 12. С. 17.
Духопельников Д. В., Ивахненко С. Г. Влияние азимутального отклонения ионов на форму пучка двигателя с анодным слоем. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2012. № 10. С. 12.
Воробьев Е. В., Духопельников Д. В., Ивахненко С. Г., Марахтанов М. К. Потеря тяги в двигателях с анодным слоем за счет азимутальной закрутки ионов. 2011. № SP3. С. 58–63.
Reid, B. M. and Gallimore, A. D., Review of Hall Thruster Neutral Flow Dynamics, 30th
International Electric Propulsion Conference, IEPC-2007–038, Florence, Italy, Sept. 17–20, 2007.
Reid, B. M., Gallimore, A. D., Hofer, R. R., Li, Y. and Haas, J. M., Anode Design and Verification for a 6-kW Hall Thruster, JANNAF Journal of Propulsion and Energetics, 2, 1, 2009.
Райзер Ю. П. Физика газового разряда. Научное издание. 3-е изд., испр. и доп. -Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2009. -736 с.

Основные термины (генерируются автоматически): анодный узел, двигатель, рабочий газ, разрядная ступень, вход, геометрия, изолятор, нейтральный газ, оптимальная геометрия, штуцер.

Ключевые слова

плазма,

электроракетный двигатель,

метод конечных элементов,

холловский двигатель,

анодный узел,

распределение нейтрального газа

электроракетный двигатель, метод конечных элементов, холловский двигатель, анодный узел, распределение нейтрального газа, плазма

Двухступенчатый двигатель с анодным слоем (варианты)

Изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД). Двухступенчатый двигатель с анодным слоем содержит катод — нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, который выполнен из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени, катод ускорительной ступени выполнен составным в виде неподвижно установленного относительно магнитопровода кольцеобразного корпуса и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода внутреннего и наружного колец, подпружиненных в направлении выхода из двигателя вдоль его оси и упирающихся в систему радиально расположенных на полюсах магнитопровода штифтов, которые смещены по оси устройства в направлении к выходу, при этом на поверхности колец вне рабочей полости имеются кольцевые ограничительные выступы, а штифты выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец. Кроме того, внутреннее и наружное кольца составного катода ускорительной ступени могут упираться во фланцы, которые выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец, а кольца на выходе из двигателя могут иметь ступенчатую форму. Изобретение позволяет увеличить ресурс двухступенчатого двигателя с анодным слоем при сохранении его характеристик в течение всего времени работы, а также позволяет снизить массу и повысить экономичность. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).

Известен двухступенчатый двигатель с анодным слоем (ДАС) [1], содержащий кольцевые катоды и анод-газораспределитель, образующие разрядную ступень, причем кольцевые катоды одновременно являются анодами ускорительной ступени, и кольцевые катоды ускорительной ступени. Обе ступени размещаются в кольцевом зазоре магнитной системы, состоящей из электромагнита и магнитопровода с полюсами. Катоды и аноды изготовлены из молибдена.

Недостатком такого ДАС является сравнительно небольшой ресурс работы вследствие большого катодного распыления молибденовых электродов. Так четырехсотчасовые испытания ДАС на висмуте показали, что скорость уноса молибденовых катодов составляла ~(1/7-1,9)10⁵ г/К [2]. Это означает, что даже при токе 5 А длина кольцевых катодов за каждые 1000 часов уменьшается на 10-15 мм.

Из предлагаемых путей увеличения ресурса ДАС наиболее существенным является замена материала катодов на графит [2]. В работе [3], посвященной исследованию эрозии разрядного канала ДАС, показано, что при испытаниях двухступенчатого ДАС общей продолжительностью до 1200 часов эрозии катодов первой ступени не наблюдалось. Приведены пути обеспечения ресурса двигателя.

1. Изготовление распыляющихся деталей из стойких к распылению материалов.

2. Увеличение толщины распыляемых электродов.

3. Сокращение глубины канала.

Второй и третий пути практически исчерпали свои возможности в современных конструкциях ДАС.

Наиболее близкий аналог ДАС [3] содержит катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени. При выполнении электродов из графита, коэффициент катодного распыления даже при больших энергиях ионов (при напряжении в ускорительной ступени 2,5 кВ) снижается в ~2-3 раза. Именно высоковольтный режим ДАС, обеспечивающий высокую удельную тягу двигателя, определяет его преимущество по сравнению со стационарным плазменным двигателем (СПД). Однако серия 30-часовых эрозионных испытаний двухступенчатого ДАС в высоковольтном режиме, проведенных в ЦНИИМаш, и серия 300-часовых испытаний, проведенных в ИЦ Гленна (США), показали, что скорость эрозии графитовых катодов в плоскости полюсов магнитной системы составляет величину примерно 3,2-3,3 мкм/ч, т.е. более 3 мм за 1000 часов работы ДАС. При обеспечении ресурса ДАС в 10000 часов эрозия катода ускорительной ступени должна составить более 30 мм, что недопустимо, т. к. это привело бы к значительной эрозии магнитных полюсов, сопровождаемой деградацией характеристик двигателя.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение ресурса двухступенчатого двигателя с анодным слоем при сохранении его характеристик в течение всего времени работы.

Для решения поставленной задачи в двухступенчатом двигателе с анодным слоем, содержащем катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени, катод ускорительной ступени выполнен составным в виде неподвижно установленного относительно магнитопровода кольцеобразного корпуса и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода внутреннего и наружного колец, подпружиненных в направлении выхода из двигателя вдоль его оси и упирающихся в систему радиально расположенных на полюсах магнитопровода штифтов, смещенных по оси устройства в направлении к выходу, при этом на поверхностях колец вне рабочей полости выполнены кольцевые ограничительные выступы, а штифты выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец.

Кроме того, поставленная задача может быть решена тем, что в двухступенчатом двигателе с анодным слоем, содержащем катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени, катод ускорительной ступени выполнен составным в виде неподвижно установленного относительно магнитопровода кольцеобразного корпуса и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода внутреннего и наружного колец, подпружиненых в направлении выхода из двигателя вдоль его оси и упирающихся во фланцы, расположенные на полюсах магнитопровода, при этом со стороны рабочей полости диаметры соответствующих колец и фланцев выполнены равными, поверхности колец вне рабочей полости содержат кольцевые ограничительные выступы и на выходе из двигателя имеют ступенчатую форму, а фланцы выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец.

Техническим результатом использования предлагаемого устройства является снижение массы, повышение экономичности, т.к. отпадает необходимость использования резервного двигателя.

На фиг.1 представлен вариант выполнения ДАС; на фиг.2 схематично показано последовательное состояние катода ускорительной ступени в выходной части во время работы двигателя по первому варианту; фиг.3 — второй вариант выполнения ДАС; фиг.3 — последовательное состояние выходной части катода ускорительной системы по второму варианту (схематично).

ДАС содержит кольцевые анод-газораспределитель 1, катод разрядной ступени 2, которые через изоляторы 3 неподвижно установлены на магнитопроводе 4. Катод ускорительной ступени выполнен составным и состоит из кольцеобразного корпуса 5 и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода 4 и неподвижно смонтированных в двигателе анода-газораспределителя 1, катода разрядной ступени 2 и корпуса 5 внутреннего 6 и наружного 7 колец катода ускорительной ступени. При этом кольца 6 и 7 катода ускорительной ступени подпружинены относительно корпуса 5 пружинами 8 в направлении выхода из двигателя и упираются в систему радиально установленных на внутреннем 9 и наружном 10 полюсах магнитопровода 4 штифтов (вариант 1), выполненных, например, из графита или из керамического материала, имеющего коэффициент катодного распыления, близкий к графиту. Система штифтов состоит, например, из двух рядов — внешнего 11 и внутреннего 12, смещенных в осевом направлении к выходу из двигателя. Во внешний ряд 11 упираются кольца 6 и 7, внутренний ряд 12 расположен в пазах 13, выполненных на внешних, вне рабочей полости, поверхностях выходных участков колец 6 и 7. Кроме того, наружные цилиндрические поверхности колец 6 и 7, вне рабочей полости двигателя, содержат кольцевые ограничительные выступы 14. В исходном состоянии пружины 8 сжаты. На оси двигателя установлен катод-нейтрализатор 15, внутри магнитопровода 4 установлены электромагниты 16.

В варианте 2 внутреннее 6 и наружное 7 кольца подпружинены в направлении выхода из двигателя вдоль его оси как и в первом варианте и упираются во фланцы — внутренний 17 и наружный 18, расположенные на полюсах 9 и 10 магнитопровода 4. Обращенные внутрь двигателя диаметры соответствующих друг другу колец и фланцев выполнены равными. Наружные, вне рабочей полости, цилиндрические поверхности колец 6 и 7 содержат кольцевые ограничительные выступы 14 и на выходе из двигателя имеют ступенчатую форму со ступенями 19. Фланцы 17 и 18 выполнены из немагнитного материала, коэффициент катодного распыления которого близок к коэффициенту катодного распыления материала колец.

Предлагаемые варианты двухступенчатых двигателей с анодным слоем работают следующим образом.

Рабочее тело, например ксенон, подают в анод-газораспределитель 1 и катод-нейтрализатор 15. Подают напряжение на электромагниты 16, напряжение между анодом-газораспределителем 1 и катодом разрядной ступени 2, а также между катодом разрядной ступени 2 (он же анод ускорительной ступени), катодом ускорительной ступени и катодом-нейтрализатором 15. Выводят двигатель на номинальный режим. При работе двигателя за счет катодного распыления графита колец 6 и 7 катода ускорительной ступени происходит уменьшение их длины и образование фаски на выходе колец 6 и 7 и штифтах 11 (см. фиг.2). Через несколько тысяч часов работы эрозия внешнего штифта 11 достигает такой величины (фиг.2а), при которой внешний ряд штифтов не является упором для подпружиненных колец 6 и 7 (или одного из них). Под действием пружин 8 кольца внутреннее 6 и наружное 7 (или одно из них) перемещаются до упора внутреннего штифта 12 в торец паза 13, в котором этот штифт расположен. Передвинувшиеся в направлении выхода из двигателя кольца 6 и 7 катода ускорительной ступени восстанавливают первоначальное положение катода, защищающего магнитные полюса 9 или 10. При дальнейшей работе в течение нескольких тысяч часов продолжается эрозия выходной части колец 6 и 7 катода ускорительной ступени и штифтов внешних 11 и внутренних 12 до того момента, когда внутренний штифт 12, в который упирается подпружиненное кольцо, перестанет быть упором (фиг.2б). При отсутствии необходимости установки еще одного штифта, кольцо передвинется под действием пружины 8 до упора его кольцевого выступа 14 во внутреннюю плоскость полюса 9 или 10, вернув первоначальную геометрию выходной части катода ускорительной ступени относительно полюсов 9 и 10 (фиг. 2в). Это обеспечивает защиту полюсов от эрозии, предотвращая деградацию характеристик двигателя.

Аналогичная эффективность при большей прочности может быть получена и в двухступенчатом двигателе с анодным слоем по второму варианту. Работа этого двигателя проиллюстрирована фиг.4. За первые несколько тысяч часов работы двигателя образующаяся в результате эрозии выходных торцов колец 6 и 7 и фланцев 17 и 18 фаска (фиг.4а) приводит к тому, что фланцы перестают быть упорами для подпружиненных колец 6 и 7. В результате чего указанные кольца передвинутся до упора фланцев 17 и 18 в следующие ступени 19. На фиг.4б, в, г показана схема последующих трех аналогичных переходов до упора последнего кольцевого выступа 14 колец 6 и 7 в полюса 9 и 10. При этом каждое перемещение колец может составлять величину в 6-7 мм, что компенсирует линейную эрозию колец 6 и 7, защищающих полюса 9 и 10 магнитной системы, равную 24-28 мм. При определенной экспериментально скорости эрозии ~3 мк/ч в предложенном двигателе должна быть обеспечена защита полюсов, а следовательно, сохранение характеристик двигателя, в течение 8000-10000 часов его работы.

Литература

1. Гришин С.Д., Ерофеев B.C. и др. Характеристики двухступенчатого ионного ускорителя с анодным слоем. ПМТФ, 1978, №2, с.28.

2. Гришин Г.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1975, с.164.

3. Семенкин А.В., Солодухин А.Е. Исследование эрозии в разрядном канале многорежимного двигателя с анодным слоем. Теоретические и экспериментальные исследования вопросов общей физики. ЦНИИмаш, 2006, с.111-117.

1. Двухступенчатый двигатель с анодным слоем, содержащий катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени, отличающийся тем, что катод ускорительной ступени выполнен составным в виде неподвижно установленного относительно магнитопровода кольцеобразного корпуса и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода внутреннего и наружного колец, подпружиненных в направлении выхода из двигателя вдоль его оси и упирающихся в систему радиально расположенных на полюсах магнитопровода штифтов, смещенных по оси устройства в направлении к выходу, при этом на поверхностях колец вне рабочей полости выполнены кольцевые ограничительные выступы, а штифты выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец.

2. Двухступенчатый двигатель с анодным слоем, содержащий катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени, отличающийся тем, что катод ускорительной ступени выполнен составным в виде неподвижно установленного относительно магнитопровода кольцеобразного корпуса и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода внутреннего и наружного колец, подпружиненных в направлении выхода из двигателя вдоль его оси и упирающихся во фланцы, расположенные на полюсах магнитопровода, при этом со стороны рабочей полости диаметры соответствующих колец и фланцев выполнены равными, поверхности колец вне рабочей полости содержат кольцевые ограничительные выступы и на выходе из двигателя имеют ступенчатую форму, а фланцы выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец.

Hall-effect thruster — Wikipedia

6 kW Hall thruster in operation at the NASAJet Propulsion Laboratory

In spacecraft propulsion, a Hall-effect thruster (HET) is a type of ion thruster in which the propellant is accelerated by an electric field. Hall-effect thrusters (based on the discovery by Edwin Hall) are sometimes referred to as Hall thrusters or Hall-current thrusters. Hall-effect thrusters use a magnetic field to limit the electrons’ axial motion and then use them to ionize propellant, efficiently accelerate the ions to produce thrust, and neutralize the ions in the plume. The Hall-effect thruster is classed as a moderate specific impulse (1,600 s) space propulsion technology and has benefited from considerable theoretical and experimental research since the 1960s.^[1]

Hall thrusters operate on a variety of propellants, the most common being xenon and krypton. Other propellants of interest include argon, bismuth, iodine, magnesium, zinc and adamantane.

Hall thrusters are able to accelerate their exhaust to speeds between 10 and 80 km/s (1,000–8,000 s specific impulse), with most models operating between 15 and 30 km/s. The thrust produced depends on the power level. Devices operating at 1.35 kW produce about 83 mN of thrust. High-power models have demonstrated up to 5.4 N in the laboratory.^[2] Power levels up to 100 kW have been demonstrated for xenon Hall thrusters.

As of 2009, Hall-effect thrusters ranged in input power levels from 1.35 to 10 kilowatts and had exhaust velocities of 10–50 kilometers per second, with thrust of 40–600 millinewtons and efficiency in the range of 45–60 percent.^[3]
The applications of Hall-effect thrusters include control of the orientation and position of orbiting satellites and use as a main propulsion engine for medium-size robotic space vehicles.^[3]

1 History
2 Principle of operation
2.1 Propellants
2. 1.1 Xenon
2.1.2 Krypton
2.2 Variants
2.2.1 Cylindrical Hall thrusters
2.2.2 External discharge Hall thruster
3 Applications
4 In development
5 References
6 External links

History[edit]

Hall thrusters were studied independently in the United States and the Soviet Union. They were first described publicly in the US in the early 1960s.^[4]^[5]^[6] However, the Hall thruster was first developed into an efficient propulsion device in the Soviet Union. In the US, scientists focused on developing gridded ion thrusters.

Two types of Hall thrusters were developed in the Soviet Union:

thrusters with wide acceleration zone, SPT (Russian: СПД, стационарный плазменный двигатель; English: SPT, Stationary Plasma Thruster) at Design Bureau Fakel
thrusters with narrow acceleration zone, DAS (Russian: ДАС, двигатель с анодным слоем; English: TAL, Thruster with Anode Layer), at the Central Research Institute for Machine Building (TsNIIMASH).

Soviet and Russian SPT thrusters

The SPT design was largely the work of A. I. Morozov.^[7]^[8] The first SPT to operate in space, an SPT-50 aboard a Soviet Meteor spacecraft, was launched December 1971. They were mainly used for satellite stabilization in north–south and in east–west directions. Since then until the late 1990s 118 SPT engines completed their mission and some 50 continued to be operated. Thrust of the first generation of SPT engines, SPT-50 and SPT-60 was 20 and 30 mN respectively. In 1982, SPT-70 and SPT-100 were introduced, their thrusts being 40 and 83 mN, respectively. In the post-Soviet Russia high-power (a few kilowatts) SPT-140, SPT-160, SPT-200, T-160 and low-power (less than 500 W) SPT-35 were introduced.^[9]

Soviet and Russian TAL-type thrusters include the D-38, D-55, D-80, and D-100.^[9]

Soviet-built thrusters were introduced to the West in 1992 after a team of electric propulsion specialists from NASA’s Jet Propulsion Laboratory, Glenn Research Center, and the Air Force Research Laboratory, under the support of the Ballistic Missile Defense Organization, visited Russian laboratories and experimentally evaluated the SPT-100 (i. e., a 100 mm diameter SPT thruster). Over 200 Hall thrusters have been flown on Soviet/Russian satellites in the past thirty years. No failures have ever occurred on orbit. Hall thrusters continue to be used on Russian spacecraft and have also flown on European and American spacecraft. Space Systems/Loral, an American commercial satellite manufacturer, now flies Fakel SPT-100’s on their GEO communications spacecraft.

Since their introduction to the West in the early 1990s, Hall thrusters have been the subject of a large number of research efforts throughout the United States, France, Italy, Japan, and Russia (with many smaller efforts scattered in various countries across the globe). Hall thruster research in the US is conducted at several government laboratories, universities and private companies. Government and government funded centers include NASA’s Jet Propulsion Laboratory, NASA’s Glenn Research Center, the Air Force Research Laboratory (Edwards AFB, CA), and The Aerospace Corporation. Universities include the US Air Force Institute of Technology,^[10]University of Michigan, Stanford University, The Massachusetts Institute of Technology, Princeton University, Michigan Technological University, and Georgia Tech. A considerable amount of development is being conducted in industry, such as IHI Corporation in Japan, Aerojet and Busek in the US, SNECMA in France, LAJP in Ukraine, SITAEL in Italy, and Satrec Initiative in South Korea.

The first use of Hall thrusters on lunar orbit was the European Space Agency (ESA) lunar mission SMART-1 in 2003.

Hall thrusters were first demonstrated on a western satellite on the Naval Research Laboratory (NRL) STEX spacecraft, which flew the Russian D-55. The first American Hall thruster to fly in space was the Busek BHT-200 on TacSat-2 technology demonstration spacecraft. The first flight of an American Hall thruster on an operational mission, was the Aerojet BPT-4000, which launched August 2010 on the military Advanced Extremely High Frequency GEO communications satellite. At 4.5 kW, the BPT-4000 is also the highest power Hall thruster ever flown in space. Besides the usual stationkeeping tasks, the BPT-4000 is also providing orbit raising capability to the spacecraft. The X-37B has been used as a testbed for the Hall thruster for the AEHF satellite series.^[11] Several countries worldwide continue efforts to qualify Hall thruster technology for commercial uses. The SpaceX Starlink constellation, the largest satellite constellation in the world, uses Hall thrusters. They are also included in the design of the Psyche spacecraft for asteroid exploration.

Principle of operation[edit]

The essential working principle of the Hall thruster is that it uses an electrostatic potential to accelerate ions up to high speeds. In a Hall thruster, the attractive negative charge is provided by an electron plasma at the open end of the thruster instead of a grid. A radial magnetic field of about 100–300 G (0.01–0.03 T) is used to confine the electrons, where the combination of the radial magnetic field and axial electric field cause the electrons to drift in azimuth thus forming the Hall current from which the device gets its name.

Hall thruster. Hall thrusters are largely axially symmetric. This is a cross-section containing that axis.

A schematic of a Hall thruster is shown in the adjacent image. An electric potential of between 150 and 800 volts is applied between the anode and cathode.

The central spike forms one pole of an electromagnet and is surrounded by an annular space, and around that is the other pole of the electromagnet, with a radial magnetic field in between.

The propellant, such as xenon gas, is fed through the anode, which has numerous small holes in it to act as a gas distributor. As the neutral xenon atoms diffuse into the channel of the thruster, they are ionized by collisions with circulating high-energy electrons (typically 10–40 eV, or about 10% of the discharge voltage). Most of the xenon atoms are ionized to a net charge of +1, but a noticeable fraction (~20%) have +2 net charge.

The xenon ions are then accelerated by the electric field between the anode and the cathode. For discharge voltages of 300 V, the ions reach speeds of around 15 km/s (9.3 mps) for a specific impulse of 1,500 seconds (15 kN·s/kg). Upon exiting, however, the ions pull an equal number of electrons with them, creating a plasma plume with no net charge.

The radial magnetic field is designed to be strong enough to substantially deflect the low-mass electrons, but not the high-mass ions, which have a much larger gyroradius and are hardly impeded. The majority of electrons are thus stuck orbiting in the region of high radial magnetic field near the thruster exit plane, trapped in E×B (axial electric field and radial magnetic field). This orbital rotation of the electrons is a circulating Hall current, and it is from this that the Hall thruster gets its name. Collisions with other particles and walls, as well as plasma instabilities, allow some of the electrons to be freed from the magnetic field, and they drift towards the anode.

About 20–30% of the discharge current is an electron current, which does not produce thrust, thus limiting the energetic efficiency of the thruster; the other 70–80% of the current is in the ions. Because the majority of electrons are trapped in the Hall current, they have a long residence time inside the thruster and are able to ionize almost all of the xenon propellant, allowing mass use of 90–99%. The mass use efficiency of the thruster is thus around 90%, while the discharge current efficiency is around 70%, for a combined thruster efficiency of around 63% (= 90% × 70%). Modern Hall thrusters have achieved efficiencies as high as 75% through advanced designs.

Compared to chemical rockets, the thrust is very small, on the order of 83 mN for a typical thruster operating at 300 V and 1.5 kW. For comparison, the weight of a coin like the U.S. quarter or a 20-cent Euro coin is approximately 60 mN. As with all forms of electrically powered spacecraft propulsion, thrust is limited by available power, efficiency, and specific impulse.

However, Hall thrusters operate at the high specific impulses that are typical for electric propulsion. One particular advantage of Hall thrusters, as compared to a gridded ion thruster, is that the generation and acceleration of the ions takes place in a quasi-neutral plasma, so there is no Child-Langmuir charge (space charge) saturated current limitation on the thrust density. This allows much smaller thrusters compared to gridded ion thrusters.

Another advantage is that these thrusters can use a wider variety of propellants supplied to the anode, even oxygen, although something easily ionized is needed at the cathode.^[12]

Propellants[edit]

Xenon[edit]

Xenon has been the typical choice of propellant for many electric propulsion systems, including Hall thrusters.^[13] Xenon propellant is used because of its high atomic weight and low ionization potential. Xenon is relatively easy to store, and as a gas at spacecraft operating temperatures does not need to be vaporized before usage, unlike metallic propellants such as bismuth. Xenon’s high atomic weight means that the ratio of energy expended for ionization per mass unit is low, leading to a more efficient thruster.^[14]

Krypton[edit]

Krypton is another choice of propellant for Hall thrusters. Xenon has an ionization potential of 12.1298 eV, while krypton has an ionization potential of 13. 996 eV.^[15] This means that thrusters utilizing krypton need to expend a slightly higher energy per mole to ionize, which reduces efficiency. Additionally, krypton is a lighter ion, so the unit mass per ionization energy is further reduced compared to xenon. However, xenon can be more than ten times as expensive as krypton per kilogram, making krypton a more economical choice for building out satellite constellations like that of SpaceX’s Starlink, whose Hall thrusters are fueled with krypton.^[16]^[17]

Variants[edit]

Cylindrical Hall thrusters[edit]

An Exotrail ExoMG — nano (60W) Hall Effect Thruster firing in a vacuum chamber

Although conventional (annular) Hall thrusters are efficient in the kilowatt power regime, they become inefficient when scaled to small sizes. This is due to the difficulties associated with holding the performance scaling parameters constant while decreasing the channel size and increasing the applied magnetic field strength. This led to the design of the cylindrical Hall thruster. The cylindrical Hall thruster can be more readily scaled to smaller sizes due to its nonconventional discharge-chamber geometry and associated magnetic field profile.^[18]^[19]^[20] The cylindrical Hall thruster more readily lends itself to miniaturization and low-power operation than a conventional (annular) Hall thruster. The primary reason for cylindrical Hall thrusters is that it is difficult to achieve a regular Hall thruster that operates over a broad envelope from ~1 kW down to ~100 W while maintaining an efficiency of 45-55%.^[21]

External discharge Hall thruster[edit]

Sputtering erosion of discharge channel walls and pole pieces that protect the magnetic circuit causes failure of thruster operation. Therefore, annular and cylindrical Hall thrusters have limited lifetime. Although magnetic shielding has been shown to dramatically reduce discharge channel wall erosion, pole piece erosion is still a concern. ^[22] As an alternative, an unconventional Hall thruster design called external discharge Hall thruster or external discharge plasma thruster (XPT) has been introduced.^[23]^[24]^[25] The external discharge Hall thruster does not possess any discharge channel walls or pole pieces. Plasma discharge is produced and sustained completely in the open space outside the thruster structure, and thus erosion-free operation is achieved.

Applications[edit]

An illustration of the Gateway in orbit around the Moon. The orbit of the Gateway will be maintained with Hall thrusters.

Hall thrusters have been flying in space since December 1971, when the Soviet Union launched an SPT-50 on a Meteor satellite.^[26] Over 240 thrusters have flown in space since that time, with a 100% success rate.^[27] Hall thrusters are now routinely flown on commercial LEO and GEO communications satellites, where they are used for orbital insertion and stationkeeping.

The first^{[failed verification]} Hall thruster to fly on a western satellite was a Russian D-55 built by TsNIIMASH, on the NRO’s STEX spacecraft, launched on October 3, 1998.^[28]

The solar electric propulsion system of the European Space Agency’s SMART-1 spacecraft used a Snecma PPS-1350-G Hall thruster.^[29] SMART-1 was a technology demonstration mission that orbited the Moon. This use of the PPS-1350-G, starting on September 28, 2003, was the first use of a Hall thruster outside geosynchronous earth orbit (GEO). Like most Hall thruster propulsion systems used in commercial applications, the Hall thruster on SMART-1 could be throttled over a range of power, specific impulse, and thrust.^[30] It has a discharge power range of 0.46–1.19 kW, a specific impulse of 1,100–1,600 s and thrust of 30–70 mN.

Many small satellites of the SpaceX Starlink cluster use krypton-fueled Hall thrusters for position-keeping and deorbiting. ^[17]

Tiangong space station is fitted with Hall-effect thrusters. Tianhe core module is propelled by both chemical thrusters and four ion thrusters,^[31] which are used to adjust and maintain the station’s orbit. The development of the Hall-effect thrusters is considered a sensitive topic in China, with scientists «working to improve the technology without attracting attention».^{[citation needed]} Hall-effect thrusters are created with crewed mission safety in mind with effort to prevent erosion and damage caused by the accelerated ion particles. A magnetic field and specially designed ceramic shield was created to repel damaging particles and maintain integrity of the thrusters. According to the Chinese Academy of Sciences, the ion drive used on Tiangong has burned continuously for 8,240 hours without a glitch, indicating their suitability for the Chinese space station’s designated 15-year lifespan.^[32] This is the world’s first Hall thrusters on a human-rated mission. ^[33]

The Jet Propulsion Laboratory (JPL) granted exclusive commercial licensing to Apollo Fusion- led by Mike Cassidy, for its Magnetically Shielded Miniature, or MaSMi Hall thruster technology.^[34] In January 2021, Apollo Fusion announced they had secured a contract with York Space Systems for an order of its latest iteration named the «Apollo Constellation Engine».^[35]

The NASA mission to the asteroid Psyche will utilize xenon gas Hall Thrusters.^[36] The electricity will come from the craft’s 75 square meter solar panels.^[37]

NASA’s first Hall thrusters on a human-rated mission will be a combination of 6kW Hall thrusters provided by Busek and NASA Advanced Electric Propulsion System (AEPS) Hall thrusters. They will serve as the primary propulsion on Maxar’s Power and Propulsion Element (PPE) for the Lunar Gateway under NASA’s Artemis program.^[38] The high specific impulse of Hall thrusters will allow for efficient orbit raising and station keep for the Lunar Gateway’s polar near-rectilinear halo orbit. Overview of the Development and Mission Application of the Advanced Electric Propulsion System (AEPS). (PDF). Daniel A. Herman, Todd A. Tofil, Walter Santiago, Hani Kamhawi, James E. Polk, John S. Snyder, Richard R. Hofer, Frank Q. Picha, Jerry Jackson and May Allen. NASA; NASA/TM—2018-219761. 35th International Electric Propulsion Conference. Atlanta, Georgia, October 8–12, 2017. Accessed: 27 July 2018.

External links[edit]

Edgar, Y. (2009). New Dawn for Electric Rockets
SITAEL S.p.A. (Italy)—Page presenting Hall effect thruster products & data sheets
Snecma SA (France) page on PPS-1350 Hall thruster
Electric Propulsion Sub-Systems (PDF)
Stationary plasma thrusters Archived 2019-07-11 at the Wayback Machine (PDF)
ESA page on Hall thrusters
Apollo Fusion
«How the Hall Effect Still Reverberates». IEEE Spectrum. 2022-01-28.

МКС, Луна, другие планеты: куда долетят плазменные двигатели

— Плазменные двигатели находят все большее применение в космосе, у России в этой области сохраняются лидирующие позиции. Расскажите, когда задумались об использовании таких двигателей?

— Это произошло в начале 60-х годов. Но первые идеи по ускорению ионов электрическим полем в слое плазмы с поперечным магнитным полем были высказаны еще в конце 50-х годов научным сотрудником Института атомной энергии (ИАЭ) Аскольдом Жариновым. И в 1961 году им была предложена схема двигателя с анодным слоем, реализующая эту идею. Вслед за этим в 1962 году другой сотрудник ИАЭ Морозов Алексей Иванович предложил ускорять ионы в протяженном слое плазмы со скрещенными электрическим и магнитным полями полями определенной конфигурации, и первые лабораторные модели будущих стационарных плазменных двигателей (СПД) были созданы в ИАЭ под его руководством к 1964 году. К 1968 году были созданы уже длительно работающие модели,

а в 1972 году на спутнике «Метеор» были проведены первые испытания этих двигателей, которые оказались очень успешными.

Обычно спутник при его запуске не попадает точно на ту орбиту, которая является удобной с точки зрения периодического обзора поверхности Земли. И этот экспериментальный двигатель смог изменить высоту орбиты спутника примерно на 17 км и перевести его на так называемую солнечно-синхронную орбиту, что было воспринято как большой успех и ускорило дальнейшие разработки СПД (стационарного плазменного двигателя. — «Газета.Ru»).

— К электрореактивным двигателям относятся плазменные и ионные двигатели. В чем их отличие?

— В ионном двигателе ускоряются электрическим полем только ионы и формируется униполярный (с зарядами одного знака) поток. Поэтому через систему ускорения в каждый момент времени можно пропустить только определенный поток ионов, потому что их объемный заряд ограничивает плотность тока ионов и плотность получаемой тяги.

К настоящему времени разработано несколько типов плазменных двигателей. Основное их отличие от ионных двигателей состоит в том, что ускорение истекающих из двигателя ионов в них осуществляется в плазменной среде, содержащей в единице объема примерно одинаковое число ионов и электронов, что снимает ограничение тока ускоряемых ионов их объемным зарядом. Это позволяет получать в плазменных двигателях существенно большие плотности потока ускоренных ионов и реактивной тяги, а двигатели для получения одинаковой тяги получаются значительно меньших размеров.

— СССР лидировал в области разработки СПД?

— После первого запуска СССР работы по созданию СПД ускорились, и вплоть до 90-х годов их разработка проводилась только в СССР. Американцы начинали эти работы также в начале 60-х годов, но через несколько лет забросили их, сочтя, что эти двигатели не очень эффективны.

После того как у нас все пошло хорошо, американцы и специалисты других стран вернулись к идее в начале 90-х годов. Они стали знакомиться с результатами, приглашать наших специалистов, завязывать совместные работы. И к 2000-м годам они накопили опыт для того, чтобы начать собственные разработки.

— Чем определяется срок службы двигателя, запасом топлива или износом?

— Срок службы, конечно, определяется тем, сколько рабочего вещества («топлива») заправлено в баки (как и в автомобиле). Кроме того, всякий двигатель все равно рано или поздно изнашивается. Оказалось, что в СПД трудно идеально сфокусировать поток ионов, который «задевает» стенки разрядной камеры и «стесывает» их, что определяет ресурс двигателя. Первые двигатели могли работать 100 часов, первые полетевшие двигатели могли работать тысячи часов, а современные двигатели могут уже работать десятки тысяч часов.

Так что в настоящее время ресурс двигателя, как правило, превышает необходимый для его работы в течение срока активного существования космического аппарата.

Электроракетные двигатели (ЭРД) отличаются от химических реактивных двигателей тем, что они экономнее использует рабочее вещество, которое в зарубежных работах называется «топливом». Это основное достоинство ЭРД. Если у жидкостного реактивного двигателя скорость истечения газов составляет максимум 4-5 км/с, то СПД уже обеспечивает скорость истечения 10-20 км/с. А сегодня этот показатель достигает и 30 км/с, что в 3-10 раз лучше, чем у химических двигателей малой тяги. Соответственно, для получения одной и той же тяги необходимо тратить во столько же раз меньше рабочего вещества.

— Что служит топливом?

— «Топливо» характерно для химических двигателей, в которых энергия на его ускорение получается за счет его сжигания. В ЭРД же частицы рабочего вещества ускоряются за счет электрической энергии, подводимой к двигателю извне. До самого последнего времени в СПД в качестве рабочего вещества использовался ксенон. Это инертный газ с большой атомной массой, хорошо ионизируется и неплохо хранится. В последнее время начал использоваться и криптон. Он похуже с точки зрения эффективности двигателя, но зато существенно дешевле. С ксеноном проблема в том, что он очень дорогой, редко распространен в природе и производится в относительно небольших количествах. До последнего времени в мире добывалось лишь несколько десятков тонн ксенона в год.

И поэтому, когда понадобилось большое количество рабочего вещества, Илон Маск для своей многотысячной группировки Starlink перешел на криптон. Тут нас американцы уже опередили.

Наши работы по криптону пока были чисто исследовательскими, поскольку такой потребности жесткой у нас не было и до его применения у нас дело еще не дошло.

— Почему, тем не менее, западные компании используют наши СПД ОКБ «Факел»?

— «Факел» начал разрабатывать СПД, начиная с первого образца, испытанного в космосе, и с тех пор производит двигатели СПД-50, СПД-70, СПД-100 и СПД-140, которые летают на наших и западных спутниках. Поэтому у «Факела» накоплен очень большой опыт создания именно летной продукции, и в достаточно больших объемах. Как результат, у двигателей «Факела» очень мало отказов. На Западе же до последнего времени не было специализированных предприятий, которые промышленно выпускали этот тип двигателей, и у них не было такого большого опыта применения СПД в космосе, как у «Факела».

— Какую главную проблему решают СПД в космосе?

— До последнего времени это было в основном приведение в рабочую точку на геостационарной орбите (ГСО) и поддержание спутников в этой точке в течение 10-15 летнего срока их активного существования, что позволяло уменьшать массу необходимого для этого РВ и за счет этого увеличивать массу целевой аппаратуры. В последние годы решается новая проблема: у нас есть определенный набор ракет-носителей (РН), которые могут выводить на опорные орбиты КА определенной массы, а дальше либо разгонным блоком доводят КА на ГСО, либо потихонечку (из-за малой тяги) переводят его на целевую орбиту с помощью СПД. Из-за малой тяги тратится больше времени, но зато можно доставить туда в полтора-три раза большую массу за 3-6 месяцев..

Например, «Протон», используя традиционный разгонный блок, может вывести на ГСО чуть больше 3 тонн, а «Союзы» — около полтонны.

Если же использовать ЭРД, то «Союз» с РБ и ЭРД уже может доставить на ГСО 2-2,5 тонны. А на «Протоне» с РБ и ЭРД спокойно доставляются туда 4 и больше тонн. Это получается долго, но эффект по доставляемой массе в конечном счете значительно больше. Чем дольше мы работаем с ЭРД, тем больше эффект по массе.

— Если СПД у нас используются давно, то в чем заключается ваша работа в МАИ по созданию электрореактивной системы довыведения и коррекции орбиты аппаратов повышенной массы?

— Наш институт уже многие годы работает с АО «Информационные спутниковые системы» (АО ИСС), являющимся основным разработчиком геостационарных спутников связи и передачи информации в России, по поиску путей и разработке способов использования ЭРД для повышения эффективности названных спутников. Эти работы проводились как по отдельным договорам между МАИ и АО ИСС, так и в рамках кооперации науки и промышленности в соответствии с постановлением правительства №218. При этом наши специалисты изучили разные носители, разные разгонные блоки, разные схемы выведения, программы управления тягой. В чем сложность полета на ЭРД? Космический аппарат с системой управления его движением на основе ЭРД делает много-много витков до того, как он выйдет, например, на ГСО. Ими была обоснована целесообразность применения ЭРД, и были разработаны и рекомендованы новые программы управления этим движением с малой тягой.

Далее у нас был создан макетный образец основных элементов двигательной системы, которая может быть использована для решения названной задачи. Мы изучали совместную работу двигателя СПД-140Д, который у нас еще не применялся, с системой электропитания, которую разработал Томский НПЦ «Полюс». Поскольку двигатель — это газоразрядное устройство, требуется специальная отработка его совмещения с системой электропитания.

Если вы хотите достаточно быстро доставить до целевой орбиты с помощью СПД тяжелый спутник, вам нужна большая тяга — можно использовать два двигателя или двигатели СПД-140 с большей тягой. Поэтому нами велась предварительная проработка такой возможности. Кроме того, нами проведены стыковочные испытания — это совместная работа двигателя, системы преобразования и управления.

Космический аппарат имеет солнечную батарею, которая производит электроэнергию с напряжением 27, 50 или 100 вольт. А дальше для того, чтобы двигатель работал, нужна система преобразования напряжения и управления. Мы показали, что в принципе можно надежно запускать и устойчиво работать с теми двигателями, которые есть сейчас у «Факела», с той системой преобразования и управления, которую разработал НПЦ «Полюс».

Новое направление, которое мы сейчас сами разрабатываем, — это двигатели на криптоне. МАИ экспериментирует с системами разной мощности, начиная от 100 Вт до десятка киловатт. Это достаточно широкий диапазон. Мы создаем конкурентоспособные образцы, которые можно будет переводить в летные. В частности, двигатели небольшой мощности, до 1 кВт, мы уже готовы передавать в промышленность. И уже ждем заказчиков, которые будут делать двигатели.

— Правильность ваших расчетов уже была подтверждена реальными пусками?

— Система довыведения на базе двигателей СПД в России уже сработала при запуске шести спутников на ГСО. Впервые она была реализована при выведении КА «Экспресс АМ5» и «Экспресс АМ6», которые невозможно было доставить на ГСО без использования ЭРД, поскольку массы КА превышали на 100 -200 кг возможности ракеты.

Поэтому были использованы штатные двигатели системы ориентации и коррекции космических аппаратов на базе двигателей СПД-100, и они были доведены до ГСО названными двигателями, которые дальше использовались для коррекции орбит.

— В чем была уникальность парного запуска одним «Протоном» спутников «Экспресс-80» и «Экспресс-103» 31 июля 2020 года?

— На них уже были установлены специальные двигатели, которые были предназначены для довыведения. Общая масса спутников составляла на ГСО более 4 тонн, т.е. значительно больше, чем при обычном запуске на геостационар РН «Протон» с разгонным блоком. С добавлением же ЭРД они одним запуском выводились на промежуточную орбиту, а дальше каждый из них довыводился на свою орбиту двумя двигателями СПД-100. Один за 160, а другой — за 149 суток, а эффект увеличения доставляемой массы на ГСО массы двух КА составил 775 кг.

Время работы геостационарных спутников сейчас составляет примерно 15 лет. По сравнению с 15 годами, даже полгода — это не такая страшная величина. Поэтому многие сейчас так и делают — и у нас, и за рубежом.

— Какие перспективы открывает использование более мощных СПД?

— Американцы рассматривали возможность использования коммерческих двигателей ОКБ «Факел» для реализации межпланетных перелетов. Американские и японские зонды, например, аппарат «Хаябуса», уже летали к астероидам на ионных двигателях. Ионные двигатели обладают еще большими скоростями истечения и считаются более перспективными для реализации полетов в дальний космос. А СПД считаются подходящими для решения околоземных задач. На двигателях типа СПД самый дальний полет был совершен к Луне по Европейской программе «Смарт 1».

Мы так далеко не заглядываем, в основном пока смотрим на Луну в части использования этих двигателей. В частности, рассматриваются варианты лунных паромов, с помощью которых можно перевозить грузы к Луне и/или обратно.

Рассматривалась также возможность реализации межпланетных полетов автоматических космических аппаратов с СПД. Так, наши баллистики уже моделировали полеты таких КА к дальним планетам и показали, что в ряде случаев удается достичь цели даже быстрее, чем с использованием традиционных химических двигателей.

— Можно ли использовать СПД для поддержания высоты орбиты МКС или будущей станции РОСС?

— Предложения такие уже делались и нами, и другими специалистами. Например, МКС можно поддерживать не обычными грузовыми кораблями «Прогресс», а «Прогрессом», оборудованным двигательной установкой на основе СПД, который будет поддерживать станцию на нужной орбите, компенсируя аэродинамическое сопротивление с меньшими затратами рабочего вещества и, следовательно, с меньшим числом запусков «Прогрессов».

— Какого двигателя достаточно для этих целей?

— Например, два двигателя масштаба СПД-140. На МКС электроэнергии принципиально должно хватить, потому что сейчас на борту МКС производится больше 100 кВт и можно выделить нужную мощность на уровне 10 кВт для такой двигательной установки.

Думаю, что и при разработке новой станции РОСС такое предложение может быть реализовано.

— Каковы перспективы создания СПД с питанием от ядерного источника вместо солнечного?

— СПД уже летал с электропитанием от ядерного источника. Прорабатываются также проекты с использованием ядерно-электрических буксиров с ионными двигателями. Это специфичные и достаточно сложные устройства, которые могут быть разработаны и применяться для реализации перспективных лунных и межпланетных программ.

Подруливающее устройство на эффекте Холла

Холловское подруливающее устройство мощностью 2 кВт в работе в рамках эксперимента Холловского двигателя на Принстонская лаборатория физики плазмы

В двигательная установка космического корабля, а Подруливающее устройство на эффекте Холла (HET) является разновидностью ионный двигатель в которой пропеллент ускоряется электрическое поле. Эффект Холла двигатели используют магнитное поле чтобы ограничить осевое движение электронов, а затем использовать их для ионизации топлива, эффективно ускорить ионы производить толкать, и нейтрализует ионы в шлейфе. Двигатели на эффекте Холла (на основе открытия Эдвин Холл ) иногда называют Подруливающие устройства холла или же Холловские двигатели. Двигатель на эффекте Холла классифицируется как умеренный удельный импульс (1,600 s) космическая двигательная установка, и с 1960-х годов в ней проводились значительные теоретические и экспериментальные исследования.^[1]

Холловское подруливающее устройство мощностью 6 кВт работает на НАСА Лаборатория реактивного движения

Двигатели Холла работают на различных топливах, наиболее распространенными из которых являются: ксенон и криптон. Другие представляющие интерес пропелленты включают: аргон, висмут, йод, магний и цинк.

Подруливающие устройства Холла могут ускорять свой выхлоп до скорости от 10 до 80 км / с (удельный импульс 1 000–8 000 с), при этом большинство моделей работают от 15 до 30 км / с (удельный импульс 1 500–3 000 с). Производимая тяга зависит от уровня мощности. Устройства, работающие на 1,35 кВт, создают тягу около 83 мН. Мощные модели продемонстрировали в лаборатории до 5,4 Н.^[2] Уровни мощности до 100 кВт были продемонстрированы для ксеноновых двигателей Холла.

По состоянию на 2009 годПодруливающие устройства на эффекте Холла имели входную мощность от 1,35 до 10 кВт и имели скорости истечения 10–50 км / с, с тягой 40–600 миллиньютон и КПД в диапазоне 45–60 процентов.^[3]

Применение двигателей на эффекте Холла включает управление ориентацией и положением орбиты. спутники и использование в качестве главного двигателя для средних роботизированных космических аппаратов.^[3]

Содержание

1 История
2 Операция
3 Цилиндрические подруливающие устройства Холла
4 Подруливающее устройство Холла с внешним разрядом
5 Приложения
6 В развитии
7 Рекомендации
8 внешняя ссылка

История

Двигатели Холла изучались независимо в США и США. Советский союз. Впервые они были публично описаны в США в начале 1960-х годов.^[4]^[5]^[6] Тем не менее, двигатель Холла был впервые разработан в Советском Союзе в качестве эффективной двигательной установки. Вместо этого в США ученые сосредоточились на разработке сеточные ионные двигатели.

В Советском Союзе были разработаны два типа двигателей Холла:

двигатели с широкой зоной разгона, СПД (русский: СПД, стационарный плазменный двигатель; Английский: SPT, Стационарный плазменный двигатель) на Конструкторское бюро Факел
двигатели с узкой зоной разгона, DAS (русский: ДАС, двигатель с анодным слоем; Английский: TAL, Подруливающее устройство с анодным слоем) на Центральный научно-исследовательский институт машиностроения (ЦНИИМАШ).

Советские и российские двигатели СПД

Разработкой СПД в значительной степени занимался А. И. Морозов.^[7]^[8] Первый СПТ, работавший в космосе, СПТ-50 на борту советского Космический корабль Метеор, был запущен в декабре 1971 года. В основном они использовались для стабилизации спутников в направлениях Север-Юг и Восток-Запад. С тех пор и до конца 1990-х годов 118 двигателей SPT выполнили свою задачу и около 50 продолжали эксплуатироваться. Тяга двигателей СПТ первого поколения, СПТ-50 и СПТ-60 составляла 20 и 30 мН соответственно. В 1982 году СПТ-70 и СПТ-100 Были введены их тяги 40 и 83 мН соответственно. На постсоветском Россия мощные (несколько киловатты ) Были представлены СПТ-140, СПТ-160, СПТ-200, Т-160 и маломощный (менее 500 Вт) СПТ-35.^[9]

Советские и российские двигатели типа ТАЛ включают Д-38, Д-55, Д-80 и Д-100.^[9]

Двигатели советского производства были представлены на Западе в 1992 году после того, как группа специалистов по электродвигателям из НАСА Лаборатория реактивного движения, Исследовательский центр Гленна, а Исследовательская лаборатория ВВС, при поддержке Организация противоракетной обороны, посетил российские лаборатории и провел экспериментальные испытания СПД-100 (т. е. двигателя СПД диаметром 100 мм). За последние тридцать лет на советских и российских спутниках было запущено более 200 двигателей Холла. На орбите ни разу не было сбоев. Двигатели Холла продолжают использоваться на российских космических кораблях, а также на европейских и американских космических кораблях. Космические Системы / Лорал, американский производитель коммерческих спутников, теперь запускает Fakel SPT-100 на своем космическом корабле связи GEO.

С момента своего появления на западе в начале 1990-х годов двигатели Холла были предметом большого количества исследовательских работ в США, Франции, Италии, Японии и России (причем многие меньшие усилия были разбросаны по разным странам по всему миру). . Исследования двигателей Холла в США проводятся в нескольких государственных лабораториях, университетах и частных компаниях. Правительство и финансируемые правительством центры включают НАСА Лаборатория реактивного движения, НАСА Исследовательский центр Гленна, то Исследовательская лаборатория ВВС (Эдвардс AFB, Калифорния) и Аэрокосмическая корпорация. Университеты включают Технологический институт ВВС США,^[10]университет Мичигана, Стэндфордский Университет, Массачусетский технологический институт, Университет Принстона, Мичиганский технологический университет, и Технологический институт Джорджии. Значительный объем разработок ведется в отрасли, например: Корпорация IHI в Японии, Аэроджет и Бусек в США, SNECMA во Франции, LAJP в Украине, SITAEL в Италии и Инициатива Satrec в Южной Корее.

Первым применением двигателей Холла на лунной орбите была лунная миссия Европейского космического агентства (ЕКА). СМАРТ-1 в 2003 г.

Двигатели Холла были впервые продемонстрированы на западном спутнике космического корабля STEX Морской исследовательской лаборатории (NRL), на котором летал российский Д-55. Первым американским двигателем Холла, который полетел в космос, был Бусек BHT-200 на TacSat-2 демонстрация технологий космического корабля. Первым полетом американского подруливающего устройства Холла в оперативном режиме был Аэроджет БПТ-4000, запущенный в августе 2010 г. на вооружение Расширенный режим работы с очень высокими частотами Спутник связи GEO. При мощности 4,5 кВт BPT-4000 также является самым мощным двигателем Холла, когда-либо летавшим в космос. Помимо обычных задач по удержанию на месте, BPT-4000 также обеспечивает возможность подъема на орбиту космического корабля. В X-37B использовался в качестве испытательного стенда для двигателя Холла для серии спутников AEHF.^[11] В нескольких странах мира продолжаются попытки квалифицировать технологию подруливающих устройств Холла для коммерческого использования. В SpaceX Starlink constellation, самая большая спутниковая группировка в мире, использует двигатели Холла.

Операция

Основным принципом работы холловского подруливающего устройства является то, что в нем используется электростатический потенциал ускорять ионы до высоких скоростей. В двигателе Холла притягивающий отрицательный заряд создается электронной плазмой на открытом конце двигателя, а не сеткой. Радиальное магнитное поле порядка 100–300грамм (0. 01–0.03 Т ) используется для ограничения электронов, где комбинация радиального магнитного поля и осевого электрического поля заставляет электроны дрейфовать по азимуту, образуя холловский ток, от которого устройство и получило свое название.

Подруливающее устройство Холла. Двигатели Холла в основном осесимметричны. Это поперечное сечение, содержащее эту ось.

Схема холловского двигателя малой тяги показана на соседнем изображении. An электрический потенциал напряжение между 150 и 800 вольт анод и катод.

Центральный шип образует один полюс электромагнит и окружен кольцевым пространством, а вокруг него находится другой полюс электромагнита с радиальным магнитным полем между ними.

Пропеллент, такой как ксенон газ подается через анод, который имеет множество маленьких отверстий, которые действуют как газораспределитель. Ксеноновое топливо используется из-за его высокой атомный вес и низкий потенциал ионизации. По мере того, как нейтральные атомы ксенона диффундируют в канал двигателя малой тяги, они ионизируются за счет столкновений с циркулирующими электронами высокой энергии (обычно 10–40 эВ, или около 10% напряжения разряда). Большинство атомов ксенона ионизируются до чистого заряда +1, но заметная часть (~ 20%) имеет чистый заряд +2.

Затем ионы ксенона ускоряются за счет электрическое поле между анодом и катодом. При разрядном напряжении 300 В ионы достигают скорости около 15 км / с (9,3 м / с) за удельный импульс 1500 секунд (15 кН · с / кг). Однако при выходе ионы увлекают за собой равное количество электронов, создавая плазма шлейф без чистой зарядки.

Радиальное магнитное поле должно быть достаточно сильным, чтобы существенно отклонять электроны с малой массой, но не ионы с большой массой, которые имеют гораздо большую гирорадиус и им почти не препятствуют. Таким образом, большая часть электронов застревает на орбите в области сильного радиального магнитного поля около выходной плоскости двигателя малой тяги, захваченных в ловушку. E×B (осевое электрическое поле и радиальное магнитное поле). Это орбитальное вращение электронов является циркулирующим. Ток Холла, и именно поэтому двигатель Холла получил свое название. Столкновения с другими частицами и стенками, а также нестабильность плазмы позволяют некоторым электронам освободиться от магнитного поля, и они дрейфуют к аноду.

Около 20–30% разрядного тока составляет электронный ток, который не создает тяги, что ограничивает энергетический КПД двигателя малой тяги; остальные 70–80% тока приходится на ионы. Поскольку большинство электронов захвачено током Холла, они имеют длительное время пребывания внутри двигателя малой тяги и способны ионизировать почти все ксеноновое топливо, что позволяет использовать 90–99% массы. Таким образом, эффективность массового использования двигателя малой тяги составляет около 90%, в то время как эффективность тока разряда составляет около 70%, при комбинированном КПД двигателя малой тяги около 63% (= 90% × 70%). Современные подруливающие устройства Холла достигли КПД 75% благодаря усовершенствованной конструкции.

По сравнению с химическими ракетами тяга очень мала, порядка 83 мН для типичного двигателя малой тяги, работающего при 300 В, 1,5 кВт. Для сравнения, вес монеты как у Квартал США или 20 центов Монета евро составляет примерно 60 мН. Как и во всех формах электрическая силовая установка космического корабля, тяга ограничена доступной мощностью, КПД и удельный импульс.

Однако двигатели Холла работают на высоких оборотах. удельные импульсы типичные для электродвигателей. Одно из особых преимуществ двигателей Холла по сравнению с сеточный ионный двигатель, заключается в том, что генерация и ускорение ионов происходит в квазинейтральной плазме, поэтому нет Заряд Чайлда-Ленгмюра (объемный заряд) насыщенный ток ограничение по плотности тяги. Это позволяет использовать двигатели гораздо меньшего размера по сравнению с ионными двигателями с сеткой.

Еще одно преимущество состоит в том, что эти двигатели могут использовать более широкий спектр топлива, подаваемого на анод, даже кислород, хотя на катоде необходимо что-то легко ионизируемое.^[12]

Цилиндрические подруливающие устройства Холла

Хотя обычные (кольцевые) подруливающие устройства Холла эффективны в киловатт режима мощности, они становятся неэффективными при масштабировании до небольших размеров. Это связано с трудностями, связанными с поддержанием постоянных параметров масштабирования производительности при уменьшении размера канала и увеличении применяемого магнитное поле сила. Это привело к созданию цилиндрического двигателя Холла. Цилиндрический двигатель Холла легче масштабировать до меньших размеров благодаря нетрадиционной геометрии разрядной камеры и связанным с этим магнитное поле профиль.^[13]^[14]^[15] Цилиндрический двигатель Холла легче поддается миниатюризации и маломощной работе, чем обычный (кольцевой) двигатель Холла. Основная причина использования цилиндрических двигателей Холла заключается в том, что трудно получить обычный двигатель Холла, который работает в широком диапазоне от ~ 1 кВт до ~ 100 Вт, сохраняя при этом КПД 45-55%.^[16]

Подруливающее устройство Холла с внешним разрядом

Распылительная эрозия стенок разрядного канала и полюсных наконечников, защищающих магнитную цепь, вызывает сбои в работе двигателя. Следовательно, кольцевые и цилиндрические двигатели Холла имеют ограниченный срок службы. Хотя было показано, что магнитное экранирование значительно снижает эрозию стенки разрядного канала, эрозия полюсного наконечника все еще вызывает беспокойство.^[17] В качестве альтернативы была представлена нетрадиционная конструкция холловского двигателя, называемого холловским двигателем с внешним разрядом или плазменным двигателем с внешним разрядом (XPT).^[18]^[19]^[20] Двигатель Холла с внешним разрядом не имеет стенок разрядного канала или полюсных наконечников. Плазменный разряд создается и поддерживается полностью в открытом пространстве за пределами конструкции двигателя, что обеспечивает работу без эрозии.

Приложения

Двигатели Холла летают в космос с декабря 1971 года, когда Советский Союз запустил СПТ-50 на спутнике «Метеор».^[21] С тех пор в космосе было запущено более 240 двигателей со 100% -ным успехом.^[22] Двигатели Холла в настоящее время обычно используются на коммерческих спутниках связи LEO и GEO, где они используются для вывода на орбиту и канцелярские товары.

Первый^{[неудачная проверка ]} Подруливающим устройством Холла для полета на западном спутнике был российский Д-55, построенный ЦНИИМАШ на базе NRO. STEX космический корабль, запущенный 3 октября 1998 г.^[23]

В солнечная электрическая тяга система Европейское космическое агентство с СМАРТ-1 космический корабль использовал Snecma ППС-1350 -G Холла.^[24] SMART-1 была миссией по демонстрации технологий, которая вращалась вокруг Луна. Это использование PPS-1350-G, начавшееся 28 сентября 2003 г., было первым использованием подруливающего устройства Холла вне геосинхронная околоземная орбита (ГЕО). Подобно большинству силовых установок Холловского двигателя, используемых в коммерческих приложениях, двигатель Холла на SMART-1 можно было регулировать в диапазоне мощности, удельного импульса и тяги.^[25] Имеет диапазон разрядной мощности 0,46–1,19 кВт. удельный импульс 1,100–1600 с и тягой 30–70 мН.

Многие малые спутники SpaceX Starlink кластерное использование двигателей Холла для удержания позиции и спуска с орбиты. Обзор разработки и применения усовершенствованной электрической двигательной установки (AEPS). (PDF). Дэниел А. Херман, Тодд А. Тофил, Уолтер Сантьяго, Хани Камхави, Джеймс Э. Полк, Джон С. Снайдер, Ричард Р. Хофер, Фрэнк К. Пича, Джерри Джексон и Мэй Аллен. НАСА; NASA / TM — 2018-219761. 35-я Международная конференция по электродвигателям. Атланта, Джорджия, 8–12 октября 2017 г. Дата обращения: 27 июля 2018 г.

внешняя ссылка

Эдгар Ю. (2009). Новая заря электрической ракеты. Двигатель Холла
SITAEL S.p.A. (Италия) — страница, на которой представлена продукция и спецификации подруливающих устройств на эффекте Холла.
Страница Snecma SA (Франция) о подруливающем устройстве PPS-1350 Hall
Подсистемы электродвигателя (PDF)
Стационарные плазменные двигатели (PDF)
Страница ESA о подруливающих устройствах Холла

Ионный двигатель толкает российскую экономику и науку вперед

Ученым из Московского авиационного института и воронежского Конструкторского бюро химавтоматики удалось разработать, собрать и провести стендовые испытания ионного двигателя. Пока двигатель получил название ВЧИД-45.

Начав опытные научно-исследовательские конструкторские работы в 2012 году, команда разработчиков изготовила к 2016 году опытный образец.

По мнению создателей, двигатель может использоваться для полета человека на Марс, запуска космических аппаратов к дальним планетам Солнечной системы и грузовых полетов на орбите Земли (с геостационарной орбиты на Луну, например).

Вообще говоря, Россия не является лидером в разработке и использовании ионных двигателей – американцы (проект Deep Space 1), европейцы (Smart-1) и японцы («Хаябуса») уже создавали и запускали аппараты с ионными двигателями в роли маршевых (основных). Советский Союз в семидесятые годы использовал ионные двигатели в качестве маневровых, но до разработки достаточно мощного двигателя, который реально было бы использовать в качестве маршевого, дело не дошло.

Одной из фундаментальных проблем исследования человеком Вселенной являются огромные расстояния (ну, или наши ничтожные размеры относительно Вселенских масштабов). Да и пока что человечество только теоретически осознало проблемы и саму необходимость межзвездных полетов.

Напомним читателям: согласно специальной теории относительности, разработанной Эйнштейном, наибольшей скоростью обладает свет (300 000 км/с). И то свет преодолевает пространства сотнями лет.

Так что пока полеты человека вне пределов Солнечной системы остаются под значительным вопросом хотя бы по той причине, что такой полет будет очень длинным. К тому же знаем и умеем для таких полетов мы пока что очень мало — нам бы изучить нашу родную планетную систему.

Поэтому сегодня ученые и конструкторы космических аппаратов сосредоточились на создании двигателей для полетов между планетами, и им удалось создать двигатели, способные развивать скорость, достаточную для исследования объектов в Солнечной системе.

Сегодня основным маршевым двигателем для космических аппаратов продолжает оставаться химический ракетный двигатель. Но требуемое большое количество топлива и практически достигнутый его предел энергетических возможностей, а также практически достигнутый потолок по КПД для двигателей ограничивают использование подобного типа двигателей околоземными полетами и исследованием космоса в пределах Солнечной системы (да и то очень неспешными темпами).

Тут-то и открываются перспективы ионного двигателя. Работает ионный двигатель, в основном, на ксеноне или ртути. Реактивная тяга создается благодаря ионизации и разгону в электрическом поле газа. Благодаря этому ионный двигатель обладает рядом преимуществ.

Во-первых, он требует очень мало топлива. Так, российский ВЧИД-45 в секунду тратит меньше 12 миллиграмм топлива.

Во-вторых, срок его работы гораздо больше, чем у того же химического. Американские ионные двигатели работают около трех лет непрерывно. У нашего ВЧИД-45 пока заявлен ресурс в 50000 часов непрерывной работы. То есть, более 7 лет.

Но, к сожалению, пока что ионный двигатель создает гораздо меньшую тягу, нежели химический. То есть, грубо говоря, с Земли на ионном двигателе не взлететь. А вот в космическом пространстве можно разогнаться до гораздо больших скоростей, чем на химическом.

Что же может дать России разработка подобного двигателя? По сути дела, создание отечественного двигателя вновь открывает для России дверь в дальний (по нашим современным меркам) космос и позволит создавать и запускать космические аппараты для исследования дальних планет Солнечной системы. К тому же, ионные двигатели сегодня используются и на спутниках (как маневровые), что опять же расширяет наши возможности.

Конечно, полеты к дальним звездам не приносят той же прибыли, как нефть при цене за баррель в районе ста долларов, но перед нашей наукой открываются возможности для развития в действительно необходимом для человечества направлении. Ведь сегодня по большей части наша страна лишилась звания ведущей космической державы и превратилась в ведущего космического извозчика – чужие аппараты и спутники запускаем, собственные коммерческие и военные тоже, но перспективных научных проектов и конструкторских разработок не ведем. К тому же в нашей экономической и геополитической ситуации практически бесполезно надеяться на появление отечественного Илона Маска, который просто возьмется за создание частной российской космической компании.

При этом, помимо научных достижений и политического престижа, исследование космоса имеет огромный эффект мультипликатора для экономики. Освоение космоса дало человечеству в качестве «приятных бонусов» множество открытий, которые сегодня даже не ассоциируются с космическими полетами: системы геолокации и навигации, множество материалов, используемых в повседневности и электронике и многое другое. Будем надеяться, что создание отечественного ионного двигателя позволит толкнуть российскую экономику и науку вперед. Честь и хвала новым отечественным Королёвым!

P.S. Нельзя не упомянуть про забавный культурный феномен. Недавно вышло продолжение знаменитой космической оперы Джорджа Люкаса — седьмой эпизод Звездных Войн. Фанаты данной вселенной наслышаны про ионные двигатели — именно они в далёкой-далёкой галактике стоят на всех космических кораблях.
http://politrussia.com/ekonomika/novye-kosmicheskie-dvigateli-731/

P.S.S.
Комментарий от разработчика двигалеля:
В комментариях к статье я уже написал основные неточности, вам напишу чуть подробнее. Я сам работаю в НИИ ПМЭ МАИ и участвовал в разработке ионных двигателей, о которых идёт речь в статье.
Первая ошибка — на фото вовсе не ионный двигатель, а двигатель с анодным слоем. Оба эти двигателя относятся к электрическим ракетным двигателям, но являются совершенно разными по принципу работы подтипами этого типа двигателей.
Электрические ракетные двигатели обладают по сравнению с жидкостными ракетными двигателями существенно большими значениями удельного импульса и ресурса, что позволяет им работать долгое время, тратя при этом незначительное количество рабочего тела. Первым заговорил о возможности использования ЭРД ещё Циолковский, а первый ЭРД был создан Глушко ещё задолго до первого космического запуска. Ну а серьезные работы по созданию ЭРД начались у нас и на западе в начале 60ых годов.
Основное применение ЭРД — двигатели коррекции орбиты космических аппаратов. Использование ЭРД позволяет существенно увеличить ресурс КА и его полезную нагрузку. Также возможно применение ЭРД для межорбитальных и межпланетных перелетов.
В СССР шли работы по созданию ЭРД самых разных типов, но в конце 80ых по различным субъективным и объективным причинам финансирование большинства работ было приостановлено или существенно урезано, основной упор по ЭРД делался на стационарные плазменные двигатели (СПД). СПД же удалось вывести на международный рынок, и сейчас на всех отечественных геостационарных КАФ и на очень многих зарубежных стоят российские СПД-100 или же собранные по Российской лицензии в США и во Франции. Но другим типам ЭРД уделялось меньшее внимание, хотя те же ионные двигатели создавались и создаются в Центре имени Келдыша. Правда там создаются ИД с разрядом постоянного тока, а в статье речь про высокочастотный ионный двигатель.
Ионные двигатели наша страна разрабатывает достаточно давно. Конкретно высокочастотными ионными двигателями мы начали заниматься совсем недавно. Этому во многом способствовало Постановление Правительства #220. МАИ выиграл конкурс по этому постановлению, что позволило пригласить в МАИ немецкого ученого Хорста Леба, который является создателем данного типа двигателей. По результатам работ была освоена технология создания ВЧИД и были созданы несколько лабораторных образцов разных размерностей. Двигатель ВЧИД-45 был только разработан, и созданы некоторые детали лабораторного образца. Задача производства других комплектующих не была решена, так как технологии их производства не освоены пока что нашей промышленностью, и их освоение требует значительных финансовых вливаний и времени. Что касается предназначения ВЧИД-45, то связка из нескольких десятков таких двигателей может быть использована в качестве маршевых двигателей космического корабля с ядерной энергетической установкой которая разрабатывалась на тот момент времени в центре Келдыша.
Но задел был создан. И в 2013 году был выигран конкурс по постановлению 218 Правительства России, которое спонсирует кооперацию ВУЗов и промышленных предприятий. И по этому постановлению МАИ и КБХА разработали и создали опытный образец двигателя, который получил наименование ВЧИД ММ. Его мощность всего лишь 300 Вт, и основное предназначение данного двигателя — коррекция и стабилизация орбиты малых космических аппаратов (в основном спутники дистанционного зондирования Земли и метеоспутники).
Но очень важно, что были созданы также блок управления газораспределением (расходом) двигателя и система питания и управления. До создания лётного образца ещё далеко — нужен конкретный заказчик, чтобы сделать двигатель под его требования. Пока что предварительный заказчик есть, но из-за многочисленных сокращений бюджета Роскосмос на первое полугодие этого года остался без государственного финансирования. Поэтому и дальнейшие работы по двигателю пока что приторможены и будут возобновлены во второй половине года.
Руслан Ахметжанов

Часто задаваемые вопросы о расходных анодах

– Performance Metals

В. Что делают расходуемые аноды?

A. Все металлы, погруженные в электролит (например, в морскую воду), создают электрическое напряжение. Когда два разнородных металла находятся в контакте (электрически соединены), они образуют гальванический элемент (например, аккумулятор), при этом менее благородный металл (например, бронзовый винт) образует анод, а более благородный металл (вал из нержавеющей стали) образует катод. .

Алюминиевый анодный сплав обеспечивает большую защиту и служит дольше, чем цинк. Он будет продолжать работать в пресной воде и безопасен для использования в соленой воде. Алюминий — единственный анод, безопасный для всех применений.

Если вы хотите защитить оба металла, вам нужно подключить третий металл, более активный, чем первые два. Самый активный металл (например, цинк) становится анодом для других и жертвует собой, подвергаясь коррозии (отдавая металл), чтобы защитить катод — отсюда и термин «жертвенный анод».

В. Из каких металлов изготавливаются расходуемые аноды?

A. Три наиболее активных материала, используемых в расходуемых анодах, это цинк , алюминий и магний . У них разные свойства и применение.

Первым свойством, которое следует рассмотреть, является их электрический потенциал . Все металлы генерируют отрицательное напряжение (по сравнению с электродом сравнения) при погружении в воду. Чем ниже – тем отрицательнее – напряжение, тем более активным считается металл, например:

Магний генерирует -1,6 Вольта, т.е. минус 1,6 Вольта.
Алюминиевый расходуемый анодный сплав генерирует напряжение -1,1 В
Цинк, -1,05 В

Для обеспечения защиты требуется максимально возможная разность напряжений между расходуемым анодом и защищаемым металлом.

Например, если для защиты бронзового винта используется цинк, будет доступно «управляющее или защитное напряжение» отрицательное –0,75 В, т. е. цинк при -1,05 В минус бронза при -0,3 = -0,75 В.

Если используются алюминиевые аноды, это значение увеличивается до -0,8 Вольт.

Магниевые аноды увеличивают это значение до -1,3 вольта.

Чем больше разница в напряжении, тем большую защиту вы получаете. Но будьте осторожны, некоторые материалы (алюминий) могут быть «перезащищены» — об этом позже.

Вторым важным свойством является емкость по току материала анода. Анод создает разность потенциалов, которая создает ток между анодом и защищаемым металлом, а также через воду. Это похоже на большую батарею: чем больше у вас емкость, тем дольше она будет защищать. Между прочим, для конкретного анода скорость протекания тока зависит от площади поверхности анода, а срок службы зависит от массы. Для анода того же размера относительные емкости составляют:

Цинк: 100 (Принято за основу, например, это может быть 100 дней)
Магний: 30
Алюминиевый анод: 130–150 (Разные производители указывают разные диапазоны)

Итак, если вы использовали магниевый анод вместо «100 день» цинкового анода, это продлится только 30 дней.

Срок службы алюминиевого анода составляет от 130 до 150 дней.

Для удобства мы предоставляем «Эквивалентный вес цинка» (ZEW) на некоторых страницах со списком наших продуктов. Это количество цинка, которому эквивалентен алюминиевый анод с точки зрения емкости.

Третье свойство Качество анодного сплава

Предупреждение об используемых металлах !!

Подойдет не любой цинк или любой алюминий. Остерегаться ! Есть импортные аноды сомнительного качества. Важно убедиться, что аноды, которые вы покупаете, изготовлены в соответствии с военными или морскими спецификациями. Установка дешевых или нестандартных анодов, несомненно, приведет к усилению и потенциально очень дорогим проблемам с коррозией. Наиболее распространенные спецификации материалов:

Цинк: MIL-DTL-18001L
Алюминий: MIL-DTL-24779 (SH)
Магний: MIL-A-21412

Сравнение свойств

9000 9000. я использую на своей лодке?

A. Тип вашей лодки определяет, насколько осторожным вам нужно быть. Корпус из стекловолокна со встроенным двигателем нуждается в гораздо меньшей защите, чем, например, алюминиевый корпус или лодка с алюминиевым кормовым приводом. Несколько простых рекомендаций:

Внутренние лодки с деталями из бронзы и нержавеющей стали могут быть защищены с помощью цинковых или алюминиевых анодов. Не беспокойтесь о чрезмерной защите их. Вы чрезмерно защищены только тогда, когда вес анодов настолько велик, что ваша лодка тонет! Напряжение, генерируемое цинковыми или алюминиевыми анодами, не вызовет никаких повреждений — независимо от того, сколько материала анода добавлено, максимальное напряжение, которое может быть сгенерировано, равно напряжению самого анода. Вы также можете использовать магний в пресноводных водоемах на лодках с корпусом из стекловолокна. Будьте осторожны при использовании магния на лодках с алюминиевым или деревянным корпусом, так как вы можете чрезмерно защитить их. Стальные корпуса также могут быть чрезмерно защищены до такой степени, что чрезмерное защитное напряжение быстро снимает краску с корпуса.

Кормовые приводы и подвесные моторы требуют немного больше внимания. У жертвенных анодов сложная задача, поскольку они должны защищать то, что уже является очень активной алюминиевой сборкой. Первоначально аноды для этих устройств были сделаны из цинка, но из-за проблем с коррозией в начале 1990-х годов Mercury и Johnson/Evinrude/OMC начали продавать алюминиевые аноды. Другие производители тоже переходят на алюминий. Небольшое увеличение защитного напряжения помогает обеспечить защиту кормового привода. Если вы используете цинковые аноды, вы можете даже аннулировать свою гарантию! Опять же, будьте осторожны, используя магниевые аноды, так как вы можете чрезмерно защитить кормовой привод или подвесной двигатель.

В. Какие аноды следует использовать в пресной воде?

A. По возможности вместо цинка рекомендуется использовать аноды Navalloy™ (сплав алюминия/цинка/индия). Цинковые аноды могут стать неактивными всего через несколько месяцев из-за образования изолирующей пленки гидроксида цинка. Алюминиевые аноды останутся активными. Не верьте нам на слово, ABYC (Американский совет по лодкам и яхтам), который установил стандарты для отрасли, разъяснил свои рекомендации по анодным материалам в отчетах о стандартах и технической информации для малых судов (июль 2008–2009 гг. ).):

Как видите, единственным типом анода, который рекомендуется для всех типов воды, является алюминиевый (Navalloy).

В этой таблице представлены варианты выбора анодов в зависимости от типа лодки и типа воды:

В. Какие факторы усиливают коррозию?

А. Разница напряжений между двумя металлами влияет на скорость коррозии. Например, стойка из нержавеющей стали, которая является относительно благородным металлом, вызовет большую коррозию набора цинка, чем стойка из бронзы. Чем соленее вода, тем больше коррозия. Повышение температуры также увеличивает проводимость воды и, как следствие, коррозию. Скорость коррозии удваивается с повышением температуры на каждые 10 градусов Цельсия (18 градусов по Фаренгейту). Загрязнение также может увеличить коррозию. Например, многие пресноводные озера были загрязнены кислотными дождями, что увеличивает проводимость воды и, следовательно, скорость коррозии.

В. Когда следует заменять расходуемые аноды?

A. Аноды следует заменять не реже одного раза в год (включая аноды в пресной воде) или в случае их коррозии до половины их первоначального размера. Аноды Performance Metals «Premium» включают эксклюзивный запатентованный «индикатор износа». Когда появится красное пятно, пора менять анод!

В. Какие меры предосторожности следует соблюдать при установке новых анодов?

A. Убедитесь, что они имеют хороший электрический контакт с защищаемым металлом. Удалите краску и очистите металлическую поверхность, которая будет соприкасаться с анодом. НЕ красьте аноды! Они не могут работать, если они закрыты.

В. Что еще нужно сделать, чтобы защитить кормовой привод?

A. Поддерживайте краску (на двигателях, узлах кормового привода и т. д.) в хорошем состоянии. Небольшая царапина быстро разъедает. Оставьте узел кормового привода погруженным в воду. Если вы этого не сделаете, аноды не могут работать. Не наносите на кормовой привод краску против обрастания, содержащую медь или ртуть. Металл в краске увеличивает гальваническую коррозию. Не смешивайте цинковые аноды на корпусе с алюминиевыми анодами на приводе. Алюминиевые аноды будут защищать цинковые аноды в дополнение к устройству.

В. Как аноды Navalloy™ (алюминий) могут защитить алюминиевые передние приводы?

A. Поскольку алюминиевый анод Navalloy™ представляет собой комбинацию алюминия, цинка и индия. Это как сравнивать сталь и нержавеющую сталь — у них очень разные свойства. Цинк и индий делают металл более активным и предотвращают образование оксидного покрытия на аноде.

Склеивание и катодная защита судов – Пол Флери из Marine Services pdf

Правда о алюминиевых анодах-Мартина Вигга и Пола Флери PDF

Справочная карта коррозии PDF

Рекомендации ABYC на Anode Materials- Рекламный материал PDF

Ряд. pdf

Рекламный проспект SecureCore® — Рекламный материал — pdf

Базовый курс PowerPoint по коррозии — объясняет основы гальванической коррозии и принципы работы расходуемых анодов. pdf

Corrosion Course – версия в формате pdf

Патент США на анодный слой для фторид-ионной батареи и патент фторид-ионной батареи (патент № 10 297 831, выдан 21 мая 2019 г.)

анодный слой для фторид-ионной батареи, в котором сдерживается разложение связующего.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Литий-ионные батареи известны, например, как батареи с высоким напряжением и высокой плотностью энергии. Ионно-литиевая батарея представляет собой батарею на основе катионов, использующую реакцию ионов лития с активными материалами катода и реакцию ионов лития с активными материалами анода. С другой стороны, фторид-ионные батареи известны как батареи на основе анионов, в которых используется реакция фторид-ионов.

Например, патентная литература 1 описывает электрод, использующий ионы фтора, электрод, содержащий углеродные наноматериалы, материал на основе металла и полимерное связующее. Кроме того, в примерах патентной литературы 1 в качестве полимерного связующего используется поливинилиденфторид (ПВДФ).

СПИСОК ЦИТИРОВАНИЯ Патентная литература

Патентная литература 1: Публикация заявки на патент США US 2010/0021800

РЕЗЮМЕ Техническая проблема

В фторид-ионной батарее ионы фтора непосредственно участвуют в реакции с активными материалами анода. Если в нем используется связующее на основе фтора, такое как ПВДФ, активный анодный материал воздействует на фтор, содержащийся в связующем на основе фтора, и легко вызывает разложение связующего (восстановительное разложение).

Настоящее раскрытие было сделано с учетом вышеуказанных обстоятельств, и его целью является создание анодного слоя (анодного слоя для фторид-ионной батареи), в котором сдерживается разложение связующего.

Решение проблемы

Для достижения вышеуказанной цели настоящее изобретение предлагает анодный слой, предназначенный для использования во фторид-ионной батарее, при этом анодный слой содержит анодно-активный материал и не содержащее фтора связующее, обладающее ароматическими свойствами.

Согласно изобретению связующее вещество, не содержащее фтора, предпочтительно представляет собой полиимидную смолу.

Кроме того, в настоящем изобретении предложена фторид-ионная батарея, содержащая катодный слой, анодный слой и слой электролита, образованный между катодным слоем и анодным слоем, при этом анодный слой представляет собой описанный выше анодный слой.

Согласно настоящему раскрытию, использование описанного выше анодного слоя позволяет фторид-ионной батарее иметь благоприятную долговечность.

Полезные эффекты раскрытия

Анодный слой для фторид-ионной батареи согласно настоящему раскрытию проявляет такие эффекты, как сдерживание разложения связующего.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

РИС. 1 представляет собой схематический вид в разрезе, иллюстрирующий пример фторид-ионной батареи по настоящему изобретению.

РИС. 2 представляет собой результат измерения потенциала восстановления для оценочного электрода, полученного в примере 1, сравнительных примерах 1 и 2 и контрольных примерах 1-3.

ФИГ. 3 представляет собой результат измерения CV для оценочного электрода, полученного в примере 1, сравнительном примере 1 и контрольном примере 1.

РИС. 4A-4C представляют собой результаты измерения CV для оценочного электрода, полученного в примере 1, сравнительном примере 1 и контрольном примере 1.

ФИГ. 5 представляет собой результат измерения CV для оценочного электрода, полученного в сравнительном примере 2 и справочных примерах 2 и 3.

ФИГ. 6A-6C представляют собой результаты измерения CV для оценочного электрода, полученные в сравнительном примере 2 и справочных примерах 2 и 3.

Фиг. 7 представляет собой увеличенный вид, на котором часть фиг. 5 увеличен.

РИС. 8A-8C представляют собой увеличенные виды, на которых часть фиг. 6А-6С соответственно увеличены.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

Анодный слой для фторид-ионной батареи и фторид-ионной батареи по настоящему изобретению подробно описаны ниже.

A. Анодный слой для фторид-ионной батареи

Анодный слой для фторид-ионной батареи по настоящему изобретению содержит активный анодный материал и не содержащее фтора связующее, обладающее ароматическими свойствами.

В соответствии с настоящим изобретением использование связующего вещества, не содержащего фтора, обладающего ароматическими свойствами, позволяет создать анодный слой, в котором сдерживается разложение связующего вещества. Если здесь используется связующее вещество на основе фтора, такое как ПВДФ, восстановительное разложение связующего вещества может происходить вместе с использованием ионно-фторидной батареи, что может вызвать снижение емкости и ухудшение цикличности из-за уменьшения адгезии анодный активный материал к анодному токосъемнику. Например, общеизвестны ионно-литиевые батареи, в которых в качестве активного материала анода используется углеродный материал; в этом случае использование связующего на основе фтора для анодного слоя не вызывает больших проблем. Причина этого заключается в том, что ионы Li (катионы) реагируют с активным материалом анода до восстановительного разложения связующего.

Напротив, в фторид-ионных батареях ионы фтора непосредственно участвуют в реакции с активным материалом анода, так что не только ионы фтора в материале электролита, но и фтор, включенный в связующее на основе фтора, используются для реакция, способствующая восстановительному разложению связующего. В настоящем изобретении восстановительное разложение связующего может быть ограничено, поскольку используется связующее, не содержащее фтор. Кроме того, ароматическое связующее, не содержащее фтора, обеспечивает высокую устойчивость к ионам фтора. Таким образом, можно ограничить снижение производительности и ухудшение цикличности из-за уменьшения адгезии.

Анодный слой для фторид-ионной батареи по настоящему изобретению описан далее в каждой конструкции.

1. Анодный активный материал

Примеры анодного активного материала в настоящем описании могут включать простое металлическое вещество, сплав, оксид металла и их фториды. Примеры металлического элемента, который должен содержаться в активном материале анода, могут включать La, Ca, Al, Eu, Li, Si, Ge, Sn, In, V, Cd, Cr, Fe, Zn, Ga, Ti, Nb, Mn. , Yb, Zr, Sm, Ce, Mg и Pb. Прежде всего, активный материал анода предпочтительно представляет собой Mg, MgF _x, Al, AlF _x, Ce, CeF _x, Ca, CaF _x, Pb и PbF _x. Между прочим, «x» представляет собой действительное число больше 0. Кроме того, другие примеры активного материала анода могут включать углеродные материалы и их фториды. Примеры углеродного материала могут включать графит, кокс и углеродные нанотрубки. Кроме того, дополнительные примеры активного материала анода могут включать полимерные материалы. Примеры полимерного материала могут включать полианилин, полипиррол, полиацетилен и политиофен.

Примеры формы активного материала анода могут включать гранулированную форму. Средний диаметр частиц (D ₅₀ ) активного материала анода находится, например, в диапазоне от 0,1 мкм до 50 мкм и может находиться в диапазоне от 1 мкм до 20 мкм. Кроме того, содержание активного материала анода в анодном слое предпочтительно больше с точки зрения емкости. Содержание активного материала анода составляет, например, 50 об.% или более, предпочтительно 70 об.% или более.

2. Связующее без фтора

Связующее без фтора в настоящем описании обладает ароматическими свойствами. Здесь «не на основе фтора» относится к связующему, которое не содержит фтор в качестве компонента связующего. Между прочим, если связующее, не содержащее фтора, подвергается воздействию ионов фтора в аккумуляторе, ионы фтора могут адсорбироваться на части связующего (фторироваться). Адсорбированные таким образом ионы фтора не попадают под состав связующего. Кроме того, связующее может быть связующим без галогена, которое не содержит галогена в качестве компонента связующего. Кроме того, «обладающий ароматичностью» относится к сопряженной ненасыщенной кольцевой структуре (ароматическая структура). Примеры ароматической структуры могут включать ароматическую углеводородную структуру, включающую только углеводород, и гетероароматическую структуру, в которой в циклическую структуру включен элемент, отличный от углерода. Примеры элемента, отличного от углерода, могут включать азот.

Примеры связующего вещества, не содержащего фтора, могут включать полиимидную смолу, полифениленсульфидную смолу и полифениленэфирную смолу.

Примеры полиимидной смолы могут включать смолу, представленную следующей общей формулой (1). В формуле каждый из R и R’ независимо представляет собой произвольную атомную группу; однако, по крайней мере, один из R и R’ обладает ароматичностью, и предпочтительно оба R и R’ обладают ароматичностью. Такая полиимидная смола обладает высокой устойчивостью к ионам фтора. Кстати, «n» — произвольное положительное число.

Полиимидная смола может быть получена, например, путем термообработки предшественника (полиамидокислоты). Примеры предшественника полиимидной смолы могут включать полиамидокислоту, синтезированную из композиции, содержащей диангидрид тетракарбоновой кислоты и диамин. Типичным примером способа синтеза полиимидной смолы может быть проведение термической обработки для имидирования полиамидокислоты, в которой полимеризуются пиромеллитовый диангидрид и 4,4′-диаминодифениловый эфир, как показано в следующей формуле реакции.

Примеры диангидрида тетракарбоновой кислоты могут включать: ангидрид алициклической тетракарбоновой кислоты (такой как диангидрид циклогексантетракарбоновой кислоты) и диангидрид ароматической тетракарбоновой кислоты (такой как: ангидриды арентетракарбоновой кислоты, такие как пиромеллитовый диангидрид и диангидрид нафталинтетракарбоновой кислоты; диангидриды бисфенолтетракарбоновой кислоты, такие как диангидриды бифенилтетракарбоновой кислоты, диангидриды бифенилэфиртетракарбоновых кислот, такие как ангидрид 4,4′-оксидифталевой кислоты (ODPA, диангидрид 3,4,3′,4′-дифенилэфиртетракарбоновой кислоты), диангидриды бензофенонтетракарбоновых кислот, диангидриды бифенилалкантетракарбоновых кислот и диангидриды бифенилсульфонтетракарбоновых кислот; и диангидриды бифенилэфиртетракарбоновых кислот, имеющие бифенилалкан,4 скелет ‘-(4,4’-изопропилидендифенокси)бис(фталевый ангидрид) (BPADA, ангидрид 2,2-бис[4-(3,4-дикарбоксифенокси)фенил]пропана)).

Примеры диамина могут включать алифатический диамин (такой как: алкилендиамины с прямой или разветвленной цепью, такие как этилендиамин, пропилендиамин, 1,4-бутилендиамин, гексаметилендиамин и триметилгексаметилендиамин; и полиэфирдиамины), алициклический диамин (такой как: бис(аминоциклогексил)алканы, такие как ментендиамин, изофорондиамин, ксилилендиамин с добавлением водорода, диаминодициклогексилметан и бис(4-амино-3-метилциклогексил)метан), и ароматический диамин [например: фенилендиамины, ксилендиамины, бис(аминофенил)эфиры такие как 4,4′-диаминодифениловый эфир, бис(аминофенил)кетоны, такие как 4,4′-диаминодифенилкетон, бис(аминофенил)сульфоны, такие как 4,4′-диаминодифенилсульфон, такие как бис(аминофенил)алканы, такие как 1,1- бис(4-аминофенил)метан и бис(аминофенил)бензолы, такие как 1,3-бис(2-аминофенил)бензол. Эти ангидриды кислот и диамины можно соответственно использовать отдельно или в комбинации двух или более видов.

Средневесовая молекулярная масса полиимидной смолы предпочтительно находится в диапазоне, например, от 3000 до 1000000. Среднемассовая молекулярная масса относится к значению, рассчитанному для полистирола в соответствии с гельпроникающей хроматографией (ГПХ).

Содержание связующего вещества, не содержащего фтора, в анодном слое предпочтительно меньше с точки зрения емкости. Содержание связующего вещества, не содержащего фтора, составляет, например, 30 объемных % или менее, а предпочтительно 15 объемных % или менее.

3. Анодный слой

Анодный слой настоящего изобретения может дополнительно содержать проводящий материал. Проводящий материал конкретно не ограничивается, если он имеет желаемую электронную проводимость, и его примеры могут включать углеродные материалы. Примеры углеродного материала могут включать сажу, такую как ацетиленовая сажа, сажа Ketjen, печная сажа и термическая сажа. Кроме того, толщина анодного слоя находится, например, в диапазоне от 0,1 мкм до 1000 мкм.

Примером способа получения анодного слоя является способ, в котором для покрытия используют суспензию, содержащую активный анодный материал и предшественник связующего (например, полиамидокислоту), после чего покрытие подвергают термообработке для получения связующего ( таких как полиимид) из предшественника связующего. Другим примером способа получения анодного слоя является способ, в котором суспензия, содержащая активный анодный материал и связующее, используется для нанесения покрытия, а затем высушивается.

B. Ионно-фторидная батарея

РИС. 1 представляет собой схематический вид в разрезе, иллюстрирующий пример фторид-ионной батареи по настоящему изобретению. Ионно-фторидная батарея 10 , показанная на РИС. 1 содержит катодный слой 1 , анодный слой 2 , слой электролита 3 , образованный между катодным слоем 1 и анодным слоем 2 , катодный токосъемник 4 для сбора токов катодного слоя 0, токосъемник 5 для сбора токов анодного слоя 2 и корпуса батареи 6 для хранения этих элементов.

Согласно настоящему раскрытию, использование описанного выше анодного слоя позволяет ионно-фтористой батарее иметь благоприятную долговечность.

Ионно-фторидная батарея по настоящему изобретению описана в дальнейшем в каждом составе.

1. Анодный слой

Анодный слой в настоящем раскрытии имеет то же содержание, что и описание в «A. Анодный слой для фторид-ионной батареи» выше; таким образом, описание здесь опущено.

2. Катодный слой

Катодный слой в настоящем описании представляет собой слой, содержащий, по меньшей мере, катодный активный материал. Кроме того, катодный слой может дополнительно содержать по меньшей мере один проводящий материал и связующее вещество, отличное от катодного активного материала.

Примеры катодного активного материала в настоящем описании могут включать простое вещество металла, сплав, оксид металла и их фториды. Примеры металлического элемента, который должен содержаться в катодном активном материале, могут включать Cu, Ag, Ni, Co, Pb, Ce, Mn, Au, Pt, Rh, V, Os, Ru, Fe, Cr, Bi, Nb, Sb. , Ti, Sn и Zn. Прежде всего, катодный активный материал предпочтительно представляет собой Cu, CuF _x, Fe, FeF _x, Ag и AgF _x. Между прочим, «x» представляет собой действительное число, большее 0. Кроме того, в качестве катодного активного материала можно использовать описанные выше углеродные материалы и полимерные материалы.

Те же проводящие материалы, описанные в «А. В качестве проводящего материала можно использовать анодный слой для фторид-ионной батареи». Примеры связующего могут включать связующие вещества на основе фтора, такие как поливинилиденфторид (ПВДФ) и политетрафторэтилен (ПТФЭ). Кроме того, содержание катодного активного материала в катодном слое предпочтительно больше с точки зрения емкости. Кроме того, толщина катодного слоя может сильно варьироваться в зависимости от конструкции батареи и, таким образом, конкретно не ограничена.

3. Слой электролита

Слой электролита в настоящем изобретении представляет собой слой, который должен быть сформирован между катодным слоем и анодным слоем. Материал электролита, включенный в слой электролита, может быть раствором электролита (жидким электролитом) и может быть материалом твердого электролита.

Жидкий электролит содержит, например, фторидную соль и органический растворитель. Примеры фторидной соли могут включать неорганические фторидные соли и органические фторидные соли. Примером неорганической фторидной соли является XF (X представляет собой Li, Na, K, Rb или Cs). Примером катиона органической фторидной соли являются катионы алкиламмония, такие как катион тетраметиламмония. Концентрация фторидной соли в жидком электролите составляет, например, от 0,1 до 40 мольных % и предпочтительно от 1 до 10 мольных %. Кроме того, жидкий электролит может содержать фторидную комплексную соль, такую как LiPF 9.0315 6 .

Примеры органического растворителя для жидкого электролита могут включать глим, такой как диметиловый эфир триэтиленгликоля (G3) и диметиловый эфир тетраэтиленгликоля (G4), циклические карбонаты, такие как этиленкарбонат (EC), фторэтиленкарбонат (FEC), дифторэтиленкарбонат (DFEC), пропиленкарбонат (PC) и бутиленкарбонат (BC) и цепные карбонаты, такие как диметилкарбонат (DMC), диэтилкарбонат (DEC) и этилметилкарбонат (EMC). Кроме того, в качестве органического растворителя можно использовать ионный раствор.

Между тем, примеры материала твердого электролита могут включать фториды лантаноидных элементов, таких как La и Ce, фториды щелочных элементов, таких как Li, Na, K, Rb и Cs, и фториды щелочноземельных элементов, таких как Ca, Sr , и Ба. Их конкретные примеры могут включать фторид La и Ba (такой как La _0,9 Ba _0,1 F _2,9 ) и фторид Pb и Sn.

4. Другие конструкции

Ионно-фторидная батарея по настоящему изобретению содержит по меньшей мере описанные выше анодный слой, катодный слой и слой электролита и обычно дополнительно содержит катодный токосъемник для сбора токов катодного слоя и анодный токосъемник для сбора токов анодного слоя. Примеры формы токосъемников могут включать в себя форму фольги, форму сетки и форму пор. Кроме того, фторид-ионная батарея по настоящему изобретению может содержать разделитель между катодным слоем и анодным слоем. Причина этого заключается в том, чтобы получить аккумулятор с более высокой безопасностью.

5. Ионно-фторидная батарея

Ионно-фторидная батарея по настоящему изобретению может быть первичной батареей и может быть вторичной батареей, но предпочтительно среди них является вторичной батареей, чтобы ее можно было многократно заряжать и разряжать и использовать в качестве автомобильный аккумулятор, например. Кроме того, примеры формы фторид-ионной батареи могут включать в себя форму монеты, форму ламината, цилиндрическую форму и квадратную форму.

Кстати, настоящее раскрытие не ограничивается вариантами осуществления. Варианты осуществления являются иллюстративными, а другие варианты предназначены для включения в техническую область настоящего раскрытия, если они имеют по существу ту же структуру, что и техническая идея, описанная в пункте формулы изобретения настоящего раскрытия, и предлагают аналогичные операции и результаты.

ПРИМЕРЫ

Настоящее изобретение далее описано более подробно со ссылкой на примеры.

Пример 1

Приготовили Fe (производство JAPAN PURE CHEMICAL CO., LTD.) в качестве активного материала и полиимидную смолу (PI, DREAMBOND, производство Industrial Summit Technology) в качестве связующего, которые смешивали при весовое соотношение твердого вещества Fe:PI=9:2 и использовали для покрытия фольги Fe (производства The Nilaco Corporation), затем нагревали при 200°С в вакууме в течение 10 часов. Таким образом, был получен оценочный электрод.

Сравнительный пример 1

Приготовили Fe (производство JAPAN PURE CHEMICAL CO., LTD.) в качестве активного материала и поливинилиденфторид (PVdF, производство Kureha Battery Materials Japan) в качестве связующего, которые смешивали при массовое соотношение твердого вещества Fe:PVdF=9:0,75 и использовали для покрытия фольги Fe (производства The Nilaco Corporation), затем нагревали при 120°C в вакууме в течение 10 часов. Таким образом, был получен оценочный электрод.

Сравнительный пример 2

Были приготовлены Al (производства JAPAN PURE CHEMICAL CO., LTD.) в качестве активного материала и политетрафторэтилена (PTFE, производства Du Pont-Mitsui Fluorochemicals Co., Ltd.) в качестве связующего, которые были замешаны и формовали при массовом соотношении твердого вещества Al:ПТФЭ=19:1 и использовали для покрытия алюминиевой фольги (производства The Nilaco Corporation), затем нагревали при 120°С в вакууме в течение 10 часов. Таким образом, был получен оценочный электрод.

Справочный пример 1

В качестве оценочного электрода использовалась фольга Fe (производства The Nilaco Corporation).

Справочный пример 2

В качестве оценочного электрода использовали алюминиевую фольгу (производства The Nilaco Corporation).

Справочный пример 3

Вспененный алюминий (производства Mitsubishi Materials Corporation) использовали в качестве оценочного электрода.

[Оценки]

(Циклическое измерение вольтамперометрии)

Измерение CV проводили для оценочных электродов, полученных в примере 1, сравнительных примерах 1 и 2 и контрольных примерах 1-3. Сначала приготовили жидкий электролит. В частности, триглим (G3, производства KANTO CHEMICAL CO., INC.), гексафторфосфат лития (LiPF ₆, производства Kishida Chemical Co., Ltd.) и фторид лития (LiF, производства Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) взвешивали и смешивали так, чтобы G3:LiPF ₆ :LiF=20: 5:1 в молярном соотношении, а затем перемешивали при 30°С в герметичном контейнере из фторопласта с получением жидкого электролита.

Затем в перчаточном боксе в атмосфере аргона была изготовлена трехэлектродная ячейка погружного типа. Электрод оценки использовался в качестве рабочего электрода, а электрод из смеси ПТФЭ, ацетиленовой сажи (АБ) и фторуглерода использовался в качестве противоэлектрода. Между прочим, смешанный электрод представлял собой электрод, содержащий материалы в весовом соотношении PTFE:AB:фтористый углерод=1:2:7. Также электрод сравнения отделялся от жидкого электролита стеклом Vycor. Кстати, в качестве электрода сравнения использовалась линия Ag, смоченная в растворе ацетонитрила, в котором были растворены нитрат серебра и перхлорат тетрабутиламмония в концентрации 0,1 М соответственно. Измерение проводилось в условиях при комнатной температуре и скорости развертки 1 мВ/с. Между прочим, что касается потенциалов, описанных на описанной ниже фиг. 2 по фиг. 8C, растворение и осаждение Li предварительно проводили в том же жидком электролите и использовали потенциалы, соответствующие реакционному потенциалу (потенциал на основе Li).

Результат восстановительного потенциала показан на РИС. 2. Между прочим, потенциал реакции восстановления рассчитывали, допуская, что ток окисления во время развертки в сторону более высокого потенциала является подтверждаемым потенциалом. Как показано на фиг. 2, восстановительный потенциал был ниже в Примере 1, в котором использовалось связующее без фтора, чем в Сравнительном примере 1, в котором использовалось связующее на основе фтора; таким образом, было подтверждено, что восстановительное разложение не происходит легко. Кроме того, поскольку восстановительный потенциал в примере 1 был ниже, чем в справочном примере 1, было подтверждено, что восстановительное разложение на металле ингибировалось. Предполагалось, что причина, по которой восстановительный потенциал в примере 1 был ниже, чем восстановительный потенциал в контрольном примере 1, заключалась в том, что структура молекул ароматического связующего вещества, не содержащего фтора, была плоской, так что связующее в достаточной степени прилипало к поверхности материала. Фе. Предполагалось, что плоскостность предотвратила приближение избыточного растворителя к Fe, так что восстановительный потенциал в примере 1 стал ниже, чем восстановительный потенциал в контрольном примере 1, в котором связующее не использовалось.

С другой стороны, как показано на РИС. 2, восстановительный потенциал был выше в сравнительном примере 2, в котором использовалось связующее на основе фтора, чем в справочных примерах 2 и 3, в которых связующее не использовалось. Таким образом, было подтверждено, что при использовании алюминиевого электрода происходит разложение связующего на основе фтора, аналогично тому, как при использовании электрода из железа. Таким образом, было высказано предположение, что восстановительное разложение связующего не происходит легко, когда для алюминиевого электрода использовали связующее не на основе фтора, обладающее ароматическими свойствами, аналогично случаю использования Fe-электрода. Между прочим, предполагалось, что причина, по которой восстановительный потенциал в сравнительном примере 2 (ПТФЭ) выше, чем восстановительный потенциал в сравнительном примере 1 (ПВДФ), заключается в том, что в ПТФЭ содержится больше фторсодержащих элементов, чем в PVdF, поэтому как легко сократить.

РИС. 3 и фиг. 4A-4C представляют собой результаты измерений CV для оценочных электродов, полученных в примере 1, сравнительном примере 1 и контрольном примере 1. Как показано на фиг. 3 и фиг. 4А-4С, пик тока восстановления был подтвержден вблизи 0,75 В во всех примерах 1, сравнительном примере 1 и справочном примере 1. Этот пик считался пиком в соответствии с удалением окисленной пленки на железе. поверхность. Кроме того, во время перехода от стороны с более низким потенциалом к стороне с более высоким потенциалом ток окисления наблюдался при более низком потенциале в примере 1, чем в сравнительном примере 1 (ссылка: стрелка). В результате было высказано предположение, что устойчивость к восстановлению была выше в примере 1, чем в сравнительном примере 1.

РИС. 5 по фиг. 8C представляют собой результаты измерений CV для оценочных электродов, полученных в сравнительном примере 2 и справочных примерах 2 и 3. Между прочим, на фиг. 7 и фиг. 8А-8С соответственно соответствуют увеличенным видам фиг. 5 и фиг. 6А-6С. Как показано на фиг. 5 по фиг. 8C, алюминиевая фольга использовалась во всех сравнительных примерах 2 и справочных примерах 2 и 3; однако в сравнительном примере 2 наблюдался только ток восстановления при потенциале приблизительно на 1,4 В ниже, чем в справочных примерах 2 и 3, в которых связующее вещество не использовалось. В результате было высказано предположение, что связующее ПТФЭ восстанавливалось и разлагалось в сравнительном примере 2.

REFERENCE SIGNS LIST

1 cathode layer
2 anode layer
3 electrolyte layer
4 cathode current collector
5 anode current collector
6 корпус аккумулятора
10 фторид-ионный аккумулятор

A Базовый обзор технологии топливных элементов

Основные сведения о топливных элементах

Через этот сайт мы ищем исторические материалы
относящийся к топливным элементам. Мы создали сайт для сбора
информация от людей, уже знакомых с технологией, таких как изобретатели,
исследователи, производители, электрики и маркетологи. Этот раздел «Основы»
представляет общий обзор топливных элементов для случайных посетителей.

Что такое топливный элемент?	Как работают топливные элементы?
Почему я не могу пойти и купить топливный элемент?
Различные типы топливных элементов.

Что такое топливный элемент?

Топливный элемент представляет собой устройство, генерирующее
электричества в результате химической реакции. Каждый топливный элемент имеет два электрода, называемых соответственно анодом и катодом. Реакции, которые производят электричество, происходят на электродах.

Каждый топливный элемент также имеет электролит, содержащий электрически заряженные частицы.
от одного электрода к другому, и катализатор, который ускоряет реакции на
электроды.

Водород является основным топливом, но топливным элементам также требуется кислород. Один великий призыв
топливных элементов заключается в том, что они генерируют электроэнергию с очень небольшим загрязнением окружающей среды — большая часть
водород и кислород, используемые для выработки электроэнергии, в конечном итоге объединяются, образуя
безвредный побочный продукт, а именно вода.

Одна деталь терминологии: один топливный элемент генерирует небольшое количество прямого
текущее (постоянное) электричество. На практике многие топливные элементы обычно собираются в
куча. Ячейка или стек, принципы одинаковы.

Верх

Как работают топливные элементы?

Топливный элемент предназначен для производства электрического тока, который можно направить
вне клетки для выполнения работы, такой как питание электродвигателя или освещение
лампочка или город. Из-за того, как ведет себя электричество, этот ток возвращается к
топливный элемент, замыкая электрическую цепь. (Чтобы узнать больше об электричестве и
электроэнергии, посетите раздел «Throw The Switch» на веб-сайте Смитсоновского института Powering a
Генерация изменений.) Химические реакции, которые производят этот ток, являются ключевыми.
как работает топливный элемент.

Существует несколько видов топливных элементов, каждый из которых работает по-своему. Но в
В общих чертах атомы водорода входят в топливный элемент на аноде, где происходит химическая реакция.
лишает их электронов. Атомы водорода теперь «ионизированы» и несут
положительный электрический заряд. Отрицательно заряженные электроны обеспечивают ток
по проводам для работы. Если необходим переменный ток (AC), DC
выход топливного элемента должен быть направлен через устройство преобразования, называемое
инвертор.

Графика Марка Маршалла, Шаца
Центр энергетических исследований

Кислород поступает в топливный элемент в
катода, а в некоторых типах ячеек (например, показанной выше) он сочетает в себе
с электронами, возвращающимися из
электрическая цепь и ионы водорода, прошедшие через электролит из
анод. В других типах клеток кислород захватывает электроны, а затем проходит через
электролит к аноду, где он соединяется с ионами водорода.

Электролит играет ключевую роль. Он должен пропускать только соответствующие ионы.
между анодом и катодом. Если бы свободные электроны или другие вещества могли перемещаться
через электролит они нарушат химическую реакцию.

Будь они
соединяются на аноде или катоде, вместе водород и кислород образуют воду, которая стекает
из клетки. Пока топливный элемент снабжается водородом и кислородом, он будет
генерировать электроэнергию.

Даже лучше, поскольку топливные элементы производят электричество химическим путем, а не путем сжигания.
они не подчиняются термодинамическим законам, которые ограничивают обычную силовую установку
(см. «Предел Карно» в глоссарии). Таким образом, топливные элементы более эффективны в
извлечение энергии из топлива. Также можно использовать отработанное тепло некоторых ячеек.
еще больше повышая эффективность системы.

Верх

Так почему я не могу пойти и купить топливный элемент?

Проиллюстрировать основные принципы работы топливного элемента несложно. Но строительство
недорогие, эффективные и надежные топливные элементы — гораздо более сложный бизнес.

Ученые и изобретатели разработали множество различных типов и размеров топливных элементов.
в поисках большей эффективности, и технические детали каждого вида различаются.
Многие варианты выбора, с которыми сталкиваются разработчики топливных элементов, ограничены выбором
электролит. Например, конструкция электродов и материалы, из которых они изготовлены.
они зависят от электролита. На сегодняшний день основными типами электролитов являются щелочные, расплавленные
карбонат, фосфорная кислота, протонообменная мембрана (PEM) и твердый оксид. Первый
три — жидкие электролиты; последние два являются твердыми.

Тип топлива также зависит от электролита. Некоторым клеткам нужен чистый водород, а
поэтому требуется дополнительное оборудование, такое как «реформер», для очистки топлива. Другие ячейки
может допускать некоторые примеси, но для эффективной работы могут потребоваться более высокие температуры.
В некоторых элементах циркулируют жидкие электролиты, для чего требуются насосы. Тип
электролит также определяет рабочую температуру элемента — «расплавленные» карбонатные элементы работают
горячий, как следует из названия.

Каждый тип топливных элементов имеет преимущества и недостатки по сравнению с другими, и ни один
тем не менее дешев и достаточно эффективен, чтобы широко заменить традиционные способы производства
энергии, таких как угольные, гидроэлектростанции или даже атомные электростанции.

В следующем списке описаны пять основных типов топливных элементов. Более подробный
информацию можно найти в этих конкретных разделах этого сайта.

Верх

Различные типы топливных элементов.

Чертеж щелочной ячейки.

Щелочные топливные элементы работают на
сжатый водород и кислород. Обычно используют раствор гидроксида калия.
(химически КОН) в воде в качестве электролита. КПД составляет около 70 процентов, а
рабочая температура составляет от 150 до 200 градусов по Цельсию (примерно от 300 до 400 градусов по Фаренгейту). Клетка
выходная мощность колеблется от 300 Вт (Вт) до 5 киловатт (кВт). Щелочные элементы использовались в
Космический корабль «Аполлон» для обеспечения электричеством и питьевой водой. Они требуют чистого
водородное топливо, однако, и их катализаторы с платиновым электродом дороги. А также
как любой контейнер, наполненный жидкостью, они могут протекать.

Чертеж ячейки расплавленного карбоната

Топливные элементы с расплавленным карбонатом (MCFC) используют высокотемпературные соединения соли
(например, натрия или магния) карбонаты (химически, CO ₃ )
как электролит. Эффективность
колеблется от 60 до 80 процентов, а рабочая температура составляет около 650 градусов C (1200
градусов F). Построены энергоблоки мощностью до 2 мегаватт (МВт),
существуют проекты для блоков до 100 МВт. Высокая температура ограничивает повреждение от углерода
Монооксидное «отравление» клетки и отработанное тепло могут быть переработаны для получения дополнительных
электричество. Их никелевые электроды-катализаторы недороги по сравнению с платиновыми.
используется в других клетках. Но высокая температура также ограничивает материалы и безопасное использование.
из MCFC — они, вероятно, будут слишком горячими для домашнего использования. Кроме того, карбонат-ионы из
электролит израсходован в реакциях, что делает необходимым введение углекислого газа
компенсировать.

Фосфорная кислота В топливных элементах (PAFC) в качестве электролита используется фосфорная кислота.
КПД колеблется от 40 до 80 процентов, а рабочая температура составляет от 150 до
200 градусов по Цельсию (примерно от 300 до 400 градусов по Фаренгейту). Существующие клетки фосфорной кислоты имеют
мощностью до 200 кВт, испытаны агрегаты мощностью 11 МВт. PAFC переносят углерод
концентрация монооксида около 1,5 процента, что расширяет выбор топлива, которое они
можешь использовать. Если используется бензин, необходимо удалить серу. Платиновые электроды-катализаторы
необходимы, а внутренние детали должны быть в состоянии противостоять коррозионной кислоте.

Рисунок того, как работают топливные элементы с фосфорной кислотой и PEM.

Протонообменная мембрана (PEM)
топливные элементы работают с полимерным электролитом в виде тонкого проницаемого листа.
КПД составляет от 40 до 50 процентов, а рабочая температура составляет около 80 градусов C.
(около 175 градусов по Фаренгейту). Мощность ячеек обычно колеблется от 50 до 250 кВт. Твердое,
гибкий электролит не будет вытекать или трескаться, и эти элементы работают при достаточно низком
температура, чтобы сделать их пригодными для дома и автомобилей. Но их топливо должно быть очищено,
и платиновый катализатор используется с обеих сторон мембраны, что увеличивает затраты.

Чертеж твердооксидной ячейки

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) использование
твердое керамическое соединение оксидов металлов (таких как кальций или цирконий) (химически,
О ₂ )
как электролит. КПД составляет около 60 процентов, а рабочие температуры около
1000 градусов по Цельсию (около 1800 градусов по Фаренгейту). Мощность ячеек до 100 кВт. На таком высоком
температуры, установка риформинга не требуется для извлечения водорода из топлива, а отходы
тепло может быть переработано для производства дополнительной электроэнергии. Однако высокая температура
ограничивает применение блоков SOFC, и они, как правило, довольно велики. В то время как твердый
электролиты не могут течь, они могут треснуть.

Более подробная информация о каждом типе топливных элементов, включая историю и
текущие приложения, можно найти в соответствующих разделах этого сайта. У нас также есть
при условии, что имеется глоссарий технических терминовссылка приведена в верхней части каждого
страница технологии.

Верх

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) | Символ, работа, приложения

В этом уроке мы узнаем о кремниевом управляемом выпрямителе (SCR). Мы изучим его символ, структуру, работу, методы включения и выключения и некоторые приложения.

Краткое описание

Введение

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) является наиболее важным и наиболее часто используемым членом семейства тиристоров. SCR можно использовать для различных приложений, таких как выпрямление, регулирование мощности и инвертирование и т. д. Подобно диоду, SCR является однонаправленным устройством, которое пропускает ток в одном направлении и противодействует в другом направлении.

[адсенс1]

SCR – трехконтактное устройство; анод, катод и затвор, как показано на рисунке. SCR имеет встроенную функцию включения или выключения, и его переключение управляется условиями смещения и входной клеммой затвора.

Это приводит к изменению средней мощности, подаваемой на нагрузку, за счет изменения периодов включения тиристора. Он может обрабатывать несколько тысяч напряжений и токов. Символ SCR и его клеммы показаны на рисунке.

Наверх

Конструкция управляемого кремнием выпрямителя

Тиристор представляет собой четырехслойное устройство с тремя выводами. Четыре слоя, состоящие из слоев P и N, расположены попеременно так, что они образуют три соединения J1, J2 и J3. Эти соединения бывают сплавными или диффузными в зависимости от типа конструкции.

Внешние слои (P- и N-слои) сильно легированы, тогда как средние P- и N-слои легированы слабо. Клемма затвора находится на среднем P-слое, анод — на внешнем P-слое, а катод — на клеммах N-слоя. SCR изготовлен из кремния, потому что по сравнению с германием ток утечки в кремнии очень мал.

Для изготовления SCR используются три типа конструкций, а именно планарный тип, тип Mesa и тип Press pack. Для тиристоров малой мощности используется плоская конструкция, в которой все переходы в тиристорах рассеяны. В конструкции мезаобразного типа соединение J2 формируется диффузионным методом и, таким образом, к нему приплавляются внешние слои.

Эта конструкция в основном используется для мощных выпрямителей с кремниевым управлением. Для обеспечения высокой механической прочности SCR укреплен пластинами из молибдена или вольфрама. И одна из этих пластин припаяна к медной шпильке, на которой дополнительно нарезана резьба для подключения радиатора.

Наверх

[adsense2]

Работа или режимы работы SCR

В зависимости от смещения, заданного для SCR, работа SCR делится на три режима. Это

Режим прямой блокировки
режим прямого проведения и
Обратный режим блокировки

Режим прямой блокировки

В этом режиме работы кремниевый управляемый выпрямитель подключается таким образом, что вывод анода становится положительным по отношению к катоду, а вывод затвора остается открытым. В этом состоянии контакты J1 и J3 смещены в прямом направлении, а соединение J2 смещено в обратном направлении.

Из-за этого через тринистор протекает небольшой ток утечки. До тех пор, пока напряжение, приложенное к тиристорам, не превышает его пороговое напряжение, тиристоры оказывают очень высокое сопротивление протеканию тока. Поэтому тиристор действует как разомкнутый переключатель в этом режиме, блокируя прямой ток, протекающий через тиристор, как показано на кривой характеристики VI тиристора.

Вернуться к началу

Прямой режим проводимости

В этом режиме SCR или тиристор переходит в режим проводимости из режима блокировки. Это можно сделать двумя способами: либо путем подачи положительного импульса на клемму затвора, либо путем увеличения прямого напряжения (или напряжения на аноде и катоде) выше напряжения отключения тиристора.

После применения любого из этих методов на стыке J2 происходит лавинный пробой. Поэтому тринистор переходит в режим проводимости и действует как замкнутый переключатель, поэтому через него начинает течь ток.

Обратите внимание, что на графике характеристики VI, если значение тока затвора высокое, минимальное время перехода в режим проводимости будет соответствовать Ig3 > Ig2 > Ig1. В этом режиме через тринистор протекает максимальный ток, и его величина зависит от сопротивления или импеданса нагрузки.

Также отмечено, что если ток затвора увеличивается, напряжение, необходимое для включения тиристора, меньше, если предпочтение отдается смещению затвора. Ток, при котором тринистор переходит из режима блокировки в режим проводимости, называется током фиксации (IL).

А также, когда прямой ток достигает уровня, при котором SCR возвращается в состояние блокировки, это называется током удержания (IH). При этом удерживающемся уровне тока область истощения начинает развиваться вокруг соединения J2. Следовательно, ток удержания немного меньше тока фиксации.

Вернуться к началу

Режим блокировки обратного хода

В этом режиме работы катод становится положительным по отношению к аноду. Тогда переходы J1 и J3 смещены в обратном направлении, а J2 смещена в прямом направлении. Это обратное напряжение переводит SCR в область обратной блокировки, что приводит к протеканию через него небольшого тока утечки и действует как разомкнутый переключатель, как показано на рисунке.

Таким образом, устройство обеспечивает высокий импеданс в этом режиме до тех пор, пока приложенное напряжение не станет меньше, чем обратное напряжение пробоя VBR тиристора. Если обратное приложенное напряжение превышает VBR, то на переходах J1 и J3 происходит лавинный пробой, что приводит к увеличению обратного тока, протекающего через SCR.

Этот обратный ток вызывает большие потери в тринисторах и даже увеличивает их нагрев. Таким образом, тиристор будет значительно поврежден, если обратное напряжение будет больше, чем VBR.

Вернуться к началу

Аналогия SCR с двумя транзисторами

Аналогия SCR с двумя транзисторами или модель SCR с двумя транзисторами выражает самый простой способ понять работу SCR, визуализируя его как комбинацию двух транзисторов, как показано на рисунке. Коллектор каждого транзистора соединен с базой другого транзистора.

Предположим, что сопротивление нагрузки подключено между клеммами анода и катода, а небольшое напряжение приложено к клеммам затвора и катода. При отсутствии напряжения на затворе транзистор 2 находится в режиме отсечки из-за нулевого тока базы. Следовательно, через коллектор и, следовательно, через базу транзистора Т1 ток не течет. Следовательно, оба транзистора разомкнуты, и ток через нагрузку не течет.

Когда между затвором и катодом подается определенное напряжение, через базу транзистора 2 протекает небольшой ток базы, и, таким образом, ток коллектора увеличивается. И, следовательно, ток базы на транзисторе T1 переводит транзистор в режим насыщения, и, таким образом, ток нагрузки будет течь от анода к катоду.

На приведенном выше рисунке ток базы транзистора T2 становится током коллектора транзистора T1 и наоборот.

Отсюда

Ib2 = Ic1 и Ic2 = Ib1

Также ток через вывод катода, Ik = Ig + Ia ……(1)

Для транзистора,

Ib1 = Ie1 – Ic1 ……(2)

и Ic1 = α1Ie1 + Ico1……(3)

Где Ico1 — ток утечки.

Подставив уравнение 3 в уравнение 2, получим

Ib1 = Ie1 (1 – α1) – Ico1 …….(4)

Из рисунка анодный ток — эмиттерный ток транзистора Т1,

Ia = Ie1

Тогда Ib1 = Ia (1 – α1) – Ico1

А также для транзистора T2

Ic2 = α2Ie2 + Ico2

5 А Ik = Ie2

Следовательно, Ic2 = α2Ik + Ico2

Ic2 = α2 (Ig + Ia) + Ico2 …..(5)

Но Ib1 = Ic2 …..(6)

Подставляя уравнения 4 и 5 в уравнение 6 получаем

Ia (1 – α1) – Ico1 = α2 (Ig + Ia) + Ico2

Ia = [α2 Ig + Ico1 + Ico2] / [1- (α1 + α2)]

Предполагая, что токи утечки в обоих транзисторах пренебрежимо малы, получаем

Ia = [α2 Ig] / [1- (α1 + α2)]

, где α1 и α2 — соответствующие коэффициенты усиления двух транзисторов.

Вернуться к началу

Методы включения SCR

Из приведенного выше уравнения следует, что если (α1 + α2) равно единице, то Ia становится бесконечным. Это означает, что анодный ток внезапно возрастает до высокого значения и переходит в режим проводимости из непроводящего состояния. Это называется регенеративным действием SCR. Таким образом, для срабатывания тринистора значение тока затвора (α1 + α2) должно приближаться к единице. Из полученного уравнения условия включения тринистора включаются:

1. Ток утечки через SCR будет увеличиваться при очень высокой температуре устройства. Это превращает SCR в проводимость.

2. Когда ток, протекающий через устройство, очень мал, тогда α1 и α2 очень малы. Условиями пробоя по напряжению являются большие значения коэффициента размножения электронов Mn и коэффициента размножения дырок Mp вблизи перехода J2. Следовательно, увеличение напряжения на устройстве для отключения перенапряжения VBO вызывает пробой перехода J2, и, таким образом, SCR включается.

3. А также увеличением α1 и α2 достигается условие обрыва. Усиление тока транзисторов зависит от значения Ig, поэтому, увеличивая Ig, SCR можно включить.

Вернуться к началу

Методы выключения SCR

SCR нельзя выключить с помощью клеммы затвора, как в процессе включения. Для выключения тиристора анодный ток должен быть снижен до уровня ниже уровня удерживающего тока тиристора. Процесс выключения SCR называется коммутацией. Два основных типа коммутации SCR:

Естественная коммутация и
Принудительное переключение

Принудительная коммутация снова подразделяется на несколько типов, таких как

Коммутация класса А
Коммутация класса B
Коммутация класса C
Коммутация класса D
Коммутация класса E

В начало

Управление двигателем постоянного тока с помощью SCR

Рассмотрим приведенный ниже рисунок, на котором тиристоры используются для управления скоростью двигателя постоянного тока. Как известно, двигатель постоянного тока состоит из обмотки возбуждения и обмотки якоря. Управляя напряжением, подаваемым на якорь, регулируют скорость двигателя постоянного тока.

Сеть переменного тока подключена к первичной и вторичной обмоткам трансформатора, два тиристора соединены параллельно, как показано на рисунке. Выход этих SCR приводит в действие двигатель постоянного тока. Обмотка возбуждения подключена через диоды, которые дают неконтролируемую мощность постоянного тока на обмотку возбуждения.

Во время положительного полупериода входа SCR1 смещен в прямом направлении, и когда запускающий импульс подается на затвор, SCR1 начинает проводить. Таким образом, ток нагрузки течет к двигателю постоянного тока через SCR1. Во время отрицательного полупериода входа SCR 2 смещен в прямом направлении, а SCR 1 смещен в обратном направлении, и, следовательно, SCR1 выключен.

Когда запуск затвора передается на SCR2, он начинает проводить. Изменяя триггерный вход для соответствующих тиристоров, средний выходной сигнал двигателя постоянного тока изменяется и, следовательно, регулируется его скорость.

В начало

Управление двигателем переменного тока с помощью SCR

Скорость асинхронного двигателя переменного тока регулируется путем изменения подаваемого на него напряжения статора. На рисунке ниже показано подключение SCR для изменения напряжения, подаваемого на статор асинхронного двигателя.

Каждая фаза состоит из двух встречно-параллельных SCR, один для положительного пика, а другой для отрицательного пика. Таким образом, всего шесть конфигураций SCR используются для производства переменной мощности.

Входное трехфазное питание переменного тока подается на трехфазный асинхронный двигатель через этот набор тиристоров. Когда эти тиристоры запускаются импульсами с задержкой, среднее напряжение, подаваемое на асинхронный двигатель, изменяется и, следовательно, изменяется скорость.

Вернуться к началу

Преимущества управляемого кремнием выпрямителя

По сравнению с электромеханическим или механическим переключателем, SCR не имеет движущихся частей. Следовательно, с высокой эффективностью он может обеспечить бесшумную работу.
Скорость переключения очень высока, поскольку он может выполнять 1 нанооперацию в секунду.
Они могут работать при высоких номинальных напряжениях и токах с малым током затвора.
Больше подходит для работы с переменным током, поскольку при каждом нулевом положении цикла переменного тока SCR автоматически выключается.
Небольшой размер, поэтому его легко монтировать и безотказно обслуживать.

В начало

Резюме

Управляемый кремнием выпрямитель ведет себя как переключатель с двумя состояниями: либо непроводящим, либо проводящим.
Существует три режима работы SCR. Это прямая блокировка, режим прямой проводимости и режим обратной блокировки.
В основном существует два способа включения тиристора, что означает либо увеличение напряжения на тиристоре выше напряжения отключения тиристора, либо подачу небольшого напряжения на затвор. Типичное значение затвора составляет 1,5 В, 30 мА. Если ток затвора увеличивается, SCR включится при значительно сниженном напряжении питания.
Тисистор нельзя отключить через затвор, поэтому, чтобы открыть тиристор, приложенное напряжение должно снизиться до нуля.
Кремниевый управляемый выпрямитель можно использовать для коммутации как переменного, так и постоянного тока.

Вернуться к началу

Цинковый анод подвесного мотора только для Yamaha и Mariner 9,50 €

Комплект анодов для Series 300 — 350 XP

Пока нет оценки

от 67,95 евро

Комплект анодов 300-350

Пока нет оценки

от 48,95 евро

Набор цинковых анодов 80/100

Пока нет оценки

только

58,95 евро

Набор цинковых анодов 40/50

Пока нет оценки

только

86,95 евро

Комплект анодов 4T 40/60

Пока нет оценки

от 44,95 евро

Комплект анодов 60/90

Пока нет оценки

от 37,95 евро

Набор анодов серии 200 / 300

Пока нет оценки

от 46,95 евро

Набор анодов серии 200 / 250

Пока нет оценки

от 46,95 евро

Набор анодов серии 150 / 200 л

Пока нет оценки

от 46,95 евро

Комплект анодов Series 150 / 200 R

Пока нет оценки

от 49,95 евро

Посмотреть рейтинги (0)

Вопросы (0)

Добавить в список желаний

Добавить в список сравнения

Ваш вопрос будет автоматически перенаправлен другим клиентам SVB и опубликован на странице продукта. Пожалуйста, не задавайте вопросы, на которые может ответить только команда SVB, например, статус заказа или наличие товара. Вы также можете связаться с нашей командой SVB по электронной почте: [email protected] или по телефону: +49 (0)421 572.

Литий-ионный аккумулятор в настоящее время является одним из высокоэффективных аккумуляторов в области накопления энергии. которая была коммерциализирована и использовалась на рынках портативной электроники, возобновляемых источников энергии и крупномасштабных системах хранения энергии (Li et al., 2018; Lu et al., 2018; Lyu et al., 2020; Zhang et al., 2020). В связи с растущими требованиями к плотности энергии/мощности и экологическими проблемами в практических приложениях крайне важно дальнейшее улучшение электрохимических характеристик литий-ионных аккумуляторов и снижение их стоимости. В настоящее время графит по-прежнему является наиболее часто используемым анодным материалом для литий-ионных аккумуляторов из-за преимуществ высокой начальной кулоновской эффективности, длительного срока службы, нетоксичности и низкой стоимости по сравнению с другими материалами-кандидатами (Yoshio et al., 2006; Хоменко и др., 2007; Ябуучи и др., 2011; Ян и др., 2016). Тем не менее, графит не удовлетворяет возрастающим требованиям к плотности энергии из-за ограниченной разрядной емкости (теоретическое значение LiC ₆ = 372 мА·ч·г 91 177 -1 91 178 ). В последние годы Si считается одним из наиболее потенциальных анодных материалов для литий-ионных аккумуляторов следующего поколения благодаря выдающейся удельной емкости (∼4200 мА·ч·г ⁻¹ ) и низкому потенциалу делитирования (∼0,4 В по сравнению с Li ⁺ /Li) (Lee et al., 2018; Nava et al., 2019; Zhou et al., 2020). Тем не менее чрезвычайно большое объемное расширение/сжатие (∼300%) в процессе литирования/делитирования препятствует применению кремниевых анодов, что приводит к измельчению объемных частиц и ухудшению долгосрочного срока службы (Chan et al., 2008; Лю и др., 2014; Ли и др., 2016; Кук и др., 2017).

Чтобы решить вышеупомянутые проблемы, были предприняты большие усилия для подавления объемного расширения-сжатия кремниевого анода и улучшения стабильности структуры, такие как создание пористой наноструктуры, наноразмер частиц кремния, использование сплава на основе кремния и покрытие буферный слой (Lai et al., 2012; Lu et al., 2015; Woltornist et al. , 2017; Han et al., 2020). В частности, создание стабильного слоя покрытия на поверхности кремния с использованием углеродных материалов является универсальным методом продления срока службы кремниевого анода, поскольку использование углерода в качестве слоя покрытия может не только предотвратить агрегацию наночастиц кремния и улучшить его проводимость, но также может снять механическое напряжение (Wu and Cui 2012; Wu et al., 2012; Liu et al., 2014; Horowitz et al., 2018). В частности, сообщается, что различные нанокомпозиты Si/C со структурой ядро-оболочка, в которых в качестве ядра используется Si, а в качестве оболочки — углерод, демонстрируют высокую емкость и стабильную цикличность в литий-ионных батареях (Kim et al., 2016; Nava et al. др., 2019; Чжоу и др., 2019). Кроме того, для дальнейшего повышения структурной стабильности анода Si/C во время процесса циклирования в качестве промежуточного слоя между углеродом и кремнием используется SiO _x, который действует не только как жесткий буферный слой, ограничивающий расширение частиц кремния, но и также в качестве связующего слоя для усиления межфазной цементации между углеродной оболочкой и кремниевым ядром (Jiang et al. , 2016). Однако недостатками и проблемами, включая низкую эффективность производства и неполное покрытие для способа подготовки, нельзя пренебречь. Следовательно, необходимо разработать разумный метод, который может обеспечить быструю подготовку и равномерное покрытие кремниевого анода.

Метод распыления является стабильным и эффективным методом получения материалов с наноструктурами (Lai et al., 2013; Wang et al., 2016; Li et al., 2017; Zhang et al., 2017). Суть распыления заключается в распылении материалов из сопла для грануляции, в котором целевые частицы обычно должны быть распылены сжатием газа под высоким давлением или жидкостью под высоким давлением. Выброшенный туман необходимо быстро высушить высокой температурой или горячим воздухом, чтобы сформировать анодный материал со слоем покрытия. Однако нано-кремний легко соединяется с кислородом с образованием кремнезема при высокой температуре. Следовательно, в процессе распылительной сушки необходимо использовать инертный защитный газ, такой как азот и аргон, что увеличивает стоимость процесса подготовки и не способствует крупномасштабной подготовке. Полиметилметакрилат (ПММА) часто используется в качестве прекурсора углерода для покрытия поверхности Si (Jiang et al., 2016). Кроме того, ПММА также нерастворим в воде и затвердевает при контакте с водой. Принимая во внимание эти преимущества метода распыления и характеристики ПММА в воде, вероятно, будет эффективной стратегией распыление смешанного раствора целевого материала (например, Si) и ПММА в воде для получения полного покрытия, которое не требует сушки. при высокой температуре или защите инертным газом.

На основании предыдущего анализа анодный материал Si@SiO _X /C со структурой ядро-оболочка с Si в качестве ядра и SiO _X /C в качестве оболочки изготавливается с помощью методов распыления и пиролиза. Полимер ПММА используется в качестве источника кислорода и частичного углерода оболочки, ПДА используется в качестве основного источника углерода оболочки, а наноразмерный кремний используется в качестве источника кремния. Благодаря поучительному буферному эффекту промежуточного слоя SiO _x и сплошного слоя углеродного покрытия полученный Si@SiO 9Анод 0315 X /C обладает высокой удельной емкостью 1333 мА·ч·г 91 177–1·91 178 после 100 циклов при 100 мА·г 91 177–1·91 178 и отличной скоростью. В этой работе используется практическое решение для разработки кремниевых анодов с превосходными характеристиками для применения в литий-ионных батареях.

Чтобы приблизиться к реальному производству, в качестве основы для проектирования выбирается оборудование, которое уже может производиться серийно и использоваться на рынке. Распылительная насадка (распылительная сушилка Shanghai Ou Meng OM-1500A) выбрана для изготовления оборудования. Сопло этого оборудования представляет собой сопло для распыления воздуха, а диаметр подготовленных частиц можно контролировать ниже 2 мкм, что подходит для изготовления анодных материалов из кремния с углеродным покрытием. Перистальтический насос в основном состоит из трех частей: 1) части управления и привода, включая электронную схему управления и двигатель, управляют прямым и обратным вращением двигателя; 2) головка перистальтического насоса обеспечивает перистальтическую поступательную силу для жидкости, которая в основном связана с двигателем и шлангом; и 3) воздушный компрессор сжимает газ, что обеспечивает в основном стабильный газ высокого давления. Под управлением двигателя перистальтического насоса и головки насоса органические жидкие смеси кремния и полиметилметакрилата количественно закачиваются в распыляющее сопло воздуха. Под стабильным давлением воздуха, создаваемым воздушным компрессором, высокоскоростной газ заставляет органический раствор распыляться через сопло, образуя туманные капли микронного размера. Эти капли попадают под действием газа под высоким давлением в быстро перемешиваемую воду с образованием кремниевых материалов с покрытием из ПММА. На дополнительном рисунке S1 показана принципиальная схема распылительного оборудования.

На рис. 1 показан процесс подготовки материала Si@SiO _x /C. Весь процесс приготовления включает три этапа: (а) приготовление предшественника кремния, покрытого ПММА (Si@PMMA) , посредством синтеза распылением, (б) приготовление предшественника Si@ПММА, покрытого полидофамином (ПДА) (Si@PMMA@). PDA) с помощью золь-гель метода и (c) карбонизация предшественника Si@PMMA@PDA для получения материала Si@SiO _x /C со структурой ядро-оболочка.

Всего 0,5 г ПММА (ч. д. а., Маклин) добавляли к 10 мл растворителя N,N-диметилформамида (ч. д. а., Маклин) и перемешивали при 80°C в течение 2 ч на водяной бане. приготовить раствор ПММА; Частицы Si 0,5 г (50 нм, Маклин) добавляли в 10 мл растворителя N,N-диметилформамида (аналитически чистый, Маклин) и диспергировали с помощью ультразвука в течение 2 ч для приготовления раствора Si. Свежеприготовленные растворы ПММА и Si смешивали, а затем диспергировали с помощью ультразвука в течение 2 ч в виде растворов ПММА/Si. Температуру дистиллированной воды в резервуаре для воды поддерживали на уровне около 30°С. Высота от сопла до поверхности воды составляет около 30 см, так что поток воздуха может просто устремиться в воду, не разбрызгиваясь. В процессе распыления частиц давление воздуха на выходе из воздушного компрессора поддерживается на уровне около 8 кПа, пульсирующий насос регулируется на 0,4 мл мин 9. 1177 -1 , и включают мешалку, чтобы дистиллированная вода образовывала вихрь. После распыления раствор непрерывно перемешивали в течение 20 мин для достижения однородности. Распыленный раствор добавляли к дистиллированной воде и фильтровали через вакуумный отсасывающий фильтр для достижения цели очистки. Его повторно очищали дистиллированной водой 3 раза, чтобы получить Si@PMMA в состоянии гелеобразования.

Промытый Si@PMMA помещали в 250 мл дистиллированной воды и быстро перемешивали в течение 6 ч до образования однородной суспензии. В однородную суспензию добавляли 0,3 г тригидроксиметиламинометана и перемешивали в течение 2 часов. Затем в раствор добавляли 0,5 г полидофамина и быстро перемешивали в течение 24 часов с образованием черного раствора Si@PMMA@PDA после того, как значение pH было доведено до 8,5 с помощью триметилоламинометана. Раствор Si@PMMA@PDA добавляли в дистиллированную воду и фильтровали через вакуум-фильтр для очистки. Его повторно очищают дистиллированной водой 3 раза до получения гелеобразного состояния Si@PMMA@PDA. Полученное состояние гелеобразования Si@PMMA@PDA сушили при 60°C в течение 24 часов с получением предшественника Si@PMMA@PDA.

Прекурсор Si@PMMA@PDA был измельчен, а затем спечен при 850°C в течение 1 часа в токе аргона для получения материала Si@SiO со структурой ядро-оболочка _x /C . В соответствии с тем же способом, описанным выше, масса ПММА была изменена с 1,0 до 1,5 г, а полученные материалы были сокращены как Si@SiO _x /C-2 и Si@SiO _x /C-3 соответственно.

Структура Si, Si@SiO _x /C, Si@SiO _x /C-2 и Si@SiO _x /C-3 обнаружены с помощью рентгеновской дифракции (XRD, Rigaku D/MAX-2500, Япония) в диапазоне от 10 до 80° с шагом 0,02°, с использованием Cu-Kα-излучения. Микроструктуру материала Si@SiO _x /C исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ, MERLIN Compact ZEISS Germany). Особенности структуры материала Si@SiO _x /C анализировали методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ, JEOL, JEM-2010-FEF) с энергодисперсионной спектроскопией (ЭДС).

Активный материал (Si, Si@SiO _x /C, Si@SiO _x /C-2 или Si@SiO _x /C-3), сажа (Super P) , и связующее натрий-карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) смешивали с дистиллированной водой с образованием суспензии на основе весового соотношения 6:2:2. Затем суспензию наносили на медную фольгу толщиной 20 мкм и сразу сушили при 80°С в вакууме в течение 12 ч для испарения дистиллированной воды. Литий-диск и пористая полипропиленовая мембрана использовались в качестве противоэлектрода и сепаратора соответственно. 1 М LiF ₆ PHO растворяли в смеси, содержащей этиленкарбонат (ЭК), диметилкарбонат (ДМК), этилметилкарбонат (ЭМК) и 20% винилфторкарбонат (ФЭК) в качестве электролита (ЭК: ДМК: ЭМК = 1:1 :1, по объему, Shinestar Battery Materials Co. , Ltd., Китай). Массовая загрузка активного материала составляла ~ 0,8 мг см ^-2 (0,628 мг). В качестве клея использовалась натрийкарбоксиметилцеллюлоза, а в качестве растворителя – сверхчистая вода. Полуэлементы монетного типа (типа 2032) использовались для оценки электрохимических характеристик анодов. Ячейки были испытаны в диапазоне напряжений 0,01–1,5 В (по сравнению с Li/Li ⁺) с помощью наземной системы тестирования аккумуляторов (Wuhan Kingnuo Electronics Co., Ltd., Китай) при 25°C. Собранные элементы сначала разряжали-заряжали при 50 мА g ^-1 в течение трех циклов, а затем проводили при 100 мА g ^-1 во время последующих испытаний. Скоростные характеристики анода Si@SiO _x /C были протестированы в диапазоне от 50 мА г ^-1 до 2 А г ^-1 . Кривые циклической вольтамперометрии (CV) Si@SiO _x /C были получены на электрохимической рабочей станции PMC. Диапазон потенциалов 0,01–1,5 В, скорость сканирования 0,1 мВ с ⁻¹ .

На рис. 2А показаны рентгенограммы материалов Si, Si@SiO _x /C, Si@SiO _x /C-2 и Si@SiO _x /C-3. Острые пики Si около 2θ = 47,1°, 55,9°, 69,0° и 76,3° связаны с кристаллической плоскостью (111), (220), (311), (400) и (331) соответственно. Однако интенсивность этих пиков постепенно ослабевает от Si@SiO _x /C, Si@SiO _x /C-2 до Si@SiO _x /C-3, что указывает на толщину слоя углеродного покрытия на поверхность Si постепенно увеличивается. Кроме того, очевидный пик отображается для Si@SiO _x /C, Si@SiO _x /C-2, Si@SiO _x /C-3 при 2θ = 23°, что указывает на то, что полученный углерод является аморфным после пиролиза. Во время прокаливания предшественника Si@PMMA@PDA Si неизбежно будет реагировать с небольшим количеством O из PMMA с образованием SiO _x, поэтому слой покрытия должен состоять из небольшого количества слоев SiO _x и C. Кроме того, согласно отчету Jiang et al., слой покрытия SiO _x будет сформирован на поверхности Si методом пиролиза ПММА (Jiang et al., 2016). Однако пик SiO _x является незначительным на рентгенограмме, что указывает на то, что содержание SiO _x, полученное в результате реакции, слишком низкое, чтобы его можно было обнаружить. СЭМ-изображения материала Si@SiO _x /C показаны на рисунках 2B,C, где частицы Si@SiO _x /C имеют неправильную форму с размером от нанометра до микрона, и каждая частица представляет собой скопление множества мелких частиц. кристаллические твердые вещества.

Si, Si@PMMA, Si@PMMA@PDA и Si@SiO _x /C были протестированы с помощью ПЭМ для изучения изменения поверхностного слоя покрытия в процессе подготовки. На рисунках 3A, B ясно видно, что поверхность частицы Si гладкая. ПЭМ-изображения материала Si @ PMMA, показанные на дополнительном рисунке S2, показывают, что PMMA равномерно нанесен на поверхность Si, а толщина слоя покрытия составляет около 20 нм. На дополнительном рисунке S3 показано, что толщина этого слоя покрытия увеличивается до 33 нм, что свидетельствует о том, что PDA успешно наносится на поверхность Si@PMMA. Кроме того, структура ядра-оболочки может быть отчетливо обнаружена на ПЭМ-изображении одиночного Si@SiO _x частиц /C, как показано на рисунках 3C,D. Сердцевина Si идеально покрыта однородным слоем покрытия толщиной ~16 нм. Во время карбонизации Si неизбежно реагирует с небольшим количеством O из ПММА, поэтому слой покрытия должен состоять из небольшого количества SiO _x и слоев C. Кроме того, ПЭМ-изображение и соответствующее ЭДС-картирование элементов Si, C и O в частичной частице Si@SiO 90 315 x 90 316/C показаны на рисунке 3E. За исключением агломерации элемента Si в образце, элементы C и O равномерно распределяются по краю образца, что указывает на равномерное покрытие SiO _x /C на поверхности частиц Si.

На рисунках 4A, B показаны профили производительности цикла и соответствующие кулоновские кривые эффективности Si, Si@SiO _x /C, Si@SiO _x /C-2 и Si@SiO _{x 9Аноды 0316 /C-3 при 100 мА g ^-1 после трех циклов активации при 50 мА g ^-1 . Начальная разрядная емкость кремниевого анода составляет 1053,7 мАч·г ^-1 . Анод Si@SiO _x /C показывает начальную разрядную емкость 1919,7 мА·ч·г ⁻¹ . Примечательно, что с увеличением содержания покрытия SiO _x /C аноды Si@SiO _x /C-2 и Si@SiO _x /C-3 демонстрируют снижение начальной разрядной емкости. После 100 циклов Si@SiO 9Анод 0315 x} /C по-прежнему может поддерживать разрядную емкость 1333 мАч·г ⁻¹ . В отличие от этого, разрядная емкость кремниевого анода быстро снижается до 600 мА·ч·г·^–1· за первые 20 циклов, а низкая емкость в 366 мА·ч·г·^–1· сохраняется после 100 циклов. Что касается анодов Si@SiO _x /C, Si@SiO _x /C-2 и Si@SiO _x /C-3, увеличение содержания покрытия приводит к снижению разрядной емкости и более стабильной цикличность (увеличение массового отношения ПММА к Si). Причина может быть связана с пиролизным окислением между O в ПММА и частицами Si. Хотя удельная емкость снижается, структурная стабильность и межфазная стабильность увеличиваются (Jiang et al., 2016). Более того, из рисунка 4В видно, что начальная кулоновская эффективность Si, Si@SiO 9Аноды 0315 x /C, Si@SiO _x /C-2 и Si@SiO _x /C-3 составляют 63,95, 78,24, 69,2 и 63,69% соответственно. Согласно процессу подготовки анодных материалов увеличение толщины слоя SiO _x /C связано с увеличением PMMA от Si@SiO _x /C и Si@SiO _x /C-2 до Si@SiO _x /C-3. Повышенное содержание ПММА приводит к увеличению отношения SiO _x и снижению отношения углерода в слое покрытия SiO _x /C. Однако SiO _x не так эффективен, как углерод, в улучшении обратимости ионов лития, что может быть причиной снижения кулоновской эффективности от Si@SiO _x /C и Si@SiO _x /C-2 и до Si@SiO _x /анод C-3. Потеря емкости вызвана разложением электролитов на поверхности анода и частичным необратимым внедрением Li ⁺ в решетку Si. В последующих циклах кулоновская эффективность Si@SiO _x /C, Si@SiO _х /С-2 и Si@SiO _х /С-3 анод сохраняется до 98%, что выше, чем у Si (96%). Это сравнение показывает, что прогрессивные свойства анода Si@SiO _x /C следует приписывать защитной роли слоя оболочки. Чтобы дополнительно подтвердить защитную роль слоя оболочки, также были протестированы циклические характеристики анода Si@SiO _x /C при 500 мА g ^-1. На рисунке 4C можно показать, что анод Si@SiO _x /C может по-прежнему поддерживать высокую разрядную емкость 866,1 мА·ч·г·9.1177 -1 после 200 циклов. Вышеупомянутые результаты объясняют, что оболочка SiO _x /C не только обеспечивает стабильность структуры, но и препятствует проникновению электролитов, тем самым предотвращая повторное восстановление электролита и достигая высокой цикличности.

РИСУНОК 4 . (A) Кривые производительности цикла и (B) соответствующие кулоновские кривые эффективности Si, Si@SiO _x /C, Si@SiO _x /C-2 и Si@SiO _x /C-3 аноды от 0,01 до 1,5 В при 100 мА g ^-1 . (C) Кривые рабочих циклов Si@SiO _x /C анод при 500 мА g ^-1 . (D) Кривая производительности Si@SiO _x /C анод и (E) ВФХ Si@SiO _x /C анод от 1-го до 5-го цикла при скорости сканирования 0,1 мВ с ⁻¹ .

На рис. 4D показана производительность анода Si@SiO _x /C. При увеличении тока от 50 до 500 мА г ^-1 , емкость анода Si@SiO _x /C немного уменьшается с 1910,7 до 1529,5 мАч·г ^-1 . Даже при более высоких токах 1000 и 2000 мА g ^-1 анод Si@SiO _x /C все еще может обеспечивать обратимую емкость 1352,6 и 1173,0 мАч g ^-1 . Очевидно, что такая высокоскоростная способность анода Si@SiO _x /C должна выигрывать от оболочки SiO _x /C, которая может не только значительно улучшить проводимость, но и обеспечить быстрый выход Li ⁺ канал передачи для внутренних реакций легирования Si. На рисунке 4E показаны кривые CV анода Si@SiO _x /C при скорости сканирования 0,1 мВ с ^-1 с 1-го по 5-й цикл. Большой широкий катодный пик при 0,69 В можно отнести к образованию пассивирующего граничного слоя. В последующем катодном процессе окислительно-восстановительный пик при 0,19 В соответствует реакции сплавления между Si и литием (Si + xLi ⁺ + xe ^— → Li _x Si) (Тиан и др. , 2021). В процессе первой загрузки появляются два анодных пика при 0,33 и 0,50 В, что коррелирует с расслоением Li _x Si. Со второго цикла окислительно-восстановительные пики становятся более острыми и постепенно перекрываются, что указывает на превосходную обратимость и стабильность анода Si@SiO _x /C.

Таким образом, разработана эффективная стратегия создания анода ядро-оболочка Si@SiO _x /C для литий-ионных аккумуляторов. Карты XRD и EDS четко указывают пропорцию состава SiO 9Оболочка 0315 x /C. СЭМ-изображение показывает, что материал Si@SiO _x /C представляет собой неправильный агрегат множества мелких кристаллических твердых тел с размером от нанометра до микрона. Изображение ПЭМ демонстрирует, что структура ядро-оболочка успешно синтезирована. Кроме того, анод Si@SiO _x /C в исходном состоянии демонстрирует высокую разрядную емкость, хорошую скорость и цикличность. Превосходные свойства анода Si@SiO _x /C должны быть улучшены за счет уникальной структуры сердцевина-оболочка, в которой SiO 9Оболочка 0315 x /C не только обеспечивает стабильность структуры и доказывает высокую электропроводность, но также препятствует проникновению электролита, таким образом, воздерживаясь от постоянного восстановления электролитов на поверхности Si и обеспечивая отличные циклические характеристики. Эта работа предлагает многообещающую стратегию разработки высокопроизводительного кремниевого анода для литий-ионных аккумуляторов.

XL: сбор данных, исследование, написание — первоначальный проект и написание — просмотр и редактирование. WZ: методология и ресурсы. XW и WT: формальный анализ. DN: надзор и получение финансирования. JD и LB: проверка. JL: привлечение финансирования и управление проектом.

Работа выполнена при поддержке Национального фонда естественных наук Китая (№ 51502147), Фонда естественных наук Внутренней Монголии (№ 2015BS0510), Проекта трансформации научно-технических достижений Внутренней Монголии (CGZh3018132), автономного округа Внутренняя Монголия Крупный региональный проект в области науки и технологий (2020ZD0024) и Фонд естественных наук Внутренней Монголии (2019 г. ).MS05068).

Все претензии, изложенные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно представляют претензии их аффилированных организаций или издателя, редакторов и рецензентов. Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или претензии, которые могут быть сделаны его производителем, не гарантируются и не поддерживаются издателем.

Кук Дж. Б., Лин Т. С., Деци Э., Векер Дж. Н. и Толберт С. Х. (2017). Использование рентгеновской микроскопии для понимания того, как можно использовать нанопористые материалы для уменьшения больших объемных изменений в анодах из сплавов. Нано Летт. 17, 870–877. doi:10.1021/acs.nanolett.6b04181

Горовиц Ю., Хан Х.-Л., Сото Ф. А., Ралстон В. Т., Бальбуэна П. Б. и Соморджай Г. А. (2018). Карбонат фторэтилена как направляющий агент в анодах из аморфного кремния: структура интерфейса электролита, исследованная с помощью колебательной спектроскопии суммарной частоты и молекулярной динамики Ab Initio. Нано Летт. 18, 1145–1151. doi:10.1021/acs.nanolett.7b04688

Цзян Б., Цзэн С., Ван Х., Лю Д., Цянь Дж., Цао Ю. и др. (2016). Нанокомпозит Si@SiOx@C с двойной структурой ядро-оболочка, синтезированный методом одностадийного пиролиза, в качестве высокостабильного анодного материала для литий-ионных аккумуляторов. Приложение ACS Матер. Интер. 8, 31611–31616. doi:10.1021/acsami.6b09775

Ким С.Ю., Ли Дж., Ким Б.-Х., Ким Ю.Дж., Ян К.С. и Пак М.-С. (2016). Легкий синтез кремниево-графитовых сферических композитов с углеродным покрытием для высокоэффективных литий-ионных аккумуляторов. Приложение ACS Матер. Интер. 8, 12109–12117. doi:10.1021/acsami.5b11628

Лай Дж., Го Х., Ван З., Ли Х., Чжан Х., Ву Ф. и др. (2012). Получение и определение характеристик чешуйчатого графита/кремния/углеродного сферического композита в качестве анодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. J. Alloys Compd. 530, 30–35. doi:10.1016/j.jallcom.2012.03.096

Лай Дж. , Го, Х.-дж., Ли, X.-q., Ван, З.-х., Ли, X.-ч., Чжан, X.-п., и др. др. (2013). Кремниевые/чешуйчатые графитовые/углеродные анодные материалы, приготовленные с использованием различных диспергаторов методом распылительной сушки для литий-ионных аккумуляторов. Транс. Цветные металлы. соц. Китай 23, 14:13–14:20. doi:10.1016/S1003-6326(13)62611-4

Lee, P.-K., Tan, T., Wang, S., Kang, W., Lee, C.-S., and Yu, D.Y.W. (2018). Прочные вторичные частицы кремния микронного размера, закрепленные полиимидом, в качестве анода литий-ионной батареи высокой емкости и высокой стабильности. Приложение ACS Матер. Интер. 10, 34132–34139. doi:10.1021/acsami.8b09566

Нава Г., Шван Дж., Бебингер М. Г., Макдауэлл М. Т. и Манголини Л. (2019 г.). Наночастицы кремний-ядро-углерод-оболочка для литий-ионных аккумуляторов: рациональное сравнение аморфного и графитового углеродных покрытий. Нано Летт. 19, 7236–7245. doi:10.1021/acs.nanolett.9b02835

Ван Дж., Хоу X., Ли Ю., Ру Q., Цинь Х. и Ху С. (2016). Легкий золь-гель/распылительная сушка синтеза переплетенных гибридных микросфер Si@TiO2 и УНТ в качестве превосходных анодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. J. Elec Materi 45, 5773–5780. doi:10.1007/s11664-016-4785-x

Волторнист С. Дж., Варгезе Д., Массуччи Д., Цао З., Добрынин А. В. и Адамсон Д. Х. (2017). Контролируемая 3D-сборка листов графена для создания проводящих, химически селективных и чувствительных к форме материалов. Доп. Матер. 29, 1604947. doi:10.1002/adma.201604947

Wu, H. , Chan, G., Choi, J.W., Ryu, I., Yao, Y., McDowell, M.T., et al. (2012). Стабильное циклирование анодов батареи из кремниевых нанотрубок с двойными стенками посредством межфазного контроля твердого электролита. Нац. Нанотех 7, 310–315. doi:10.1038/nnano.2012.35

Ябуучи Н., Шимомура К., Шимбе Ю., Озеки Т., Сон Дж.-Ю., Оджи Х. и др. (2011). Графит-кремний-полиакрилатные отрицательные электроды в электролите с ионной жидкостью для более безопасных перезаряжаемых литий-ионных аккумуляторов. Доп. Энерг. Матер. 1, 759–765. doi:10.1002/aenm.201100236

Ян Ю., Бен Л., Чжан Ю. и Хуанг Х. (2016). Nano-Sn, встроенный в расширенный графит, в качестве анода для литий-ионных аккумуляторов с улучшенными низкотемпературными электрохимическими характеристиками. Электрохимика Acta 187, 186–192. doi:10.1016/j.electacta.2015.11.015

Распределение нейтрального газа в двигателе с анодным слоем

Ключевые слова

Похожие статьи

Оптимизация

Анализ конструктивных решений по созданию транспортной…

Расчёт предпомпажных состояний газотурбинной установки

Обзор электроракетных

Низкотемпературная сепарация углеводородов из природного…

Повышение эффективности разделения компонентов природного…

Моделирование коронного

Перспективы и проблемы развития авиационных газотурбинных.

Похожие статьи

Оптимизация

Анализ конструктивных решений по созданию транспортной…

Расчёт предпомпажных состояний газотурбинной установки

Обзор электроракетных

Низкотемпературная сепарация углеводородов из природного.

Повышение эффективности разделения компонентов природного…

Моделирование коронного

Перспективы и проблемы развития авиационных газотурбинных…

Двухступенчатый двигатель с анодным слоем (варианты)

Hall-effect thruster — Wikipedia

Contents

History[edit]

Principle of operation[edit]

Propellants[edit]

Xenon[edit]

Krypton[edit]

Variants[edit]

Cylindrical Hall thrusters[edit]

External discharge Hall thruster[edit]

Applications[edit]

External links[edit]

МКС, Луна, другие планеты: куда долетят плазменные двигатели

Подруливающее устройство на эффекте Холла

Содержание

История

Операция

Цилиндрические подруливающие устройства Холла

Подруливающее устройство Холла с внешним разрядом

Приложения

внешняя ссылка

Ионный двигатель толкает российскую экономику и науку вперед

– Performance Metals

Патент США на анодный слой для фторид-ионной батареи и патент фторид-ионной батареи (патент № 10 297 831, выдан 21 мая 2019 г.)

A Базовый обзор технологии топливных элементов

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) | Символ, работа, приложения

Введение

Конструкция управляемого кремнием выпрямителя

Работа или режимы работы SCR

Режим прямой блокировки

Прямой режим проводимости

Режим блокировки обратного хода

Аналогия SCR с двумя транзисторами

Методы включения SCR

Методы выключения SCR

Управление двигателем постоянного тока с помощью SCR

Управление двигателем переменного тока с помощью SCR

Преимущества управляемого кремнием выпрямителя

Резюме

Цинковый анод подвесного мотора только для Yamaha и Mariner 9,50 €

Что говорят другие клиенты SVB

Принадлежности

Покупатели также купили

Аналогичные товары

Клиенты спрашивают клиентов

Стабильный анод Si@SiOx/C с сердечником и оболочкой, полученный методом напыления и пиролиза для литий-ионных аккумуляторов

Введение

Экспериментальный участок

Подготовка материала

Проектирование распылительного оборудования

Si@PMMA Препарат

Si@PMMA@PDA Подготовка

Si@SiOx/C Подготовка

Характеристика материалов

Электрохимические испытания

Результаты и обсуждение

Заключение

Заявление о доступности данных

Авторские вклады