Как сделать диагностику плазменного двигателя
Перейти к содержимому

Как сделать диагностику плазменного двигателя

  • автор:

Проблемы моделирования рабочих процессов стационарного плазменного двигателя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Семененко Денис Александрович, Румянцев Альберт Владимирович

На сегодня в построении математических моделей стационарных плазменных двигателей (СПД) используются главным образом эмпирические законы с возможностью применения к конкретному типу двигателя. Рассматривается возможность построения математической модели, учитывающей различные физические процессы, протекающие в двигателе, и опирающейся на статистические методы.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Семененко Денис Александрович, Румянцев Альберт Владимирович

Разработка модели эрозии разрядной камеры стационарного плазменного двигателя
Разработка двигателя малой мощности для работы на криптоне

Исследование влияния параметров и топологии магнитного поля периферийной зоны стационарного плазменного двигателя на эффективность работы катода-компенсатора

Анализ процессов разрушения стенок вакуумной камеры испытательного стенда
Создание стационарного плазменного двигателя повышенной мощности
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Today in creation of mathematical models of the stationary plasma thruster (SPT) a certain advance is noticeable, but all these models are based on empirical laws with a possibility of application to concrete type of the engine. The paper considers the possibility of constructing a mathematical model that takes into account the various physical processes taking place in the engine and based on statistical methods.

Текст научной работы на тему «Проблемы моделирования рабочих процессов стационарного плазменного двигателя»

А. А. Комаров, А. В. Румянцев

8. Севастьянов А. И. Метод дистанционного измерения профиля керамических колец холловского двигателя // Электронный журнал «Труды МАИ». 2014. Вып. 38. С. 36—42.

9. Блинов Н. В., Головин Ю. М., Горшков О. А., Дышлюк Е. Н. Спектроскопические исследования струи холловского двигателя с целью определения скорости эрозии ускорительного канала в ходе длительных ресурсных испытаний II Авиационно-космическая техника и технология. Вып. 9. 2005. С. 56 — 71.

10. Хаустова А. Н., Лоян А. В., Рыбалов О. П. Разработка оптического приемника для измерения скорости эрозии отдельно наружной и внутренней керамических вставок газоразрядной камеры стационарного плазменного двигателя II Вестник двигателестроения. 2015. Вып. 2. С. 92 — 101.

11. Лоян А. В., Максименко Т. А., Рыбалов О. П., Подгорный В. А. Исследование эрозии разрядной камеры МСПД в ходе продолжительных ресурсных испытаний II Авиационно-космическая техника и технология. 2009. Вып. 8. С. 41 — 54.

12. Козлов О. В. Электрический зонд в плазме. М., 1969.

13. Sigmund P. Mechanisms and theory of physical sputtering by particle impact // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. 1987. С. 22 — 39.

Антон Анатольевич Комаров — инженер-конструктор, ОКБ «Факел»; асп., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.

Альберт Владимирович Румянцев — канд. физ.-мат. наук, проф., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.

About the authors

Anton Komarov — design engineer, EDB Fakel; PhD student, l. Kant Baltic federal university, Kaliningrad.

Dr Albert Rumyantsev — Prof., l. Kant Baltic federal university, Kaliningrad.

Д. А. Семененко, А. В. Румянцев

ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ СТАЦИОНАРНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ

На сегодня в построении математических моделей стационарных плазменных двигателей (СПД) используются главным образом эмпирические законы с возможностью применения к конкретному типу двигателя. Рассматривается возможность построения математической модели, учитывающей различные физические процессы, протекающие в двигателе, и опирающейся на статистические методы.

© Семененко Д. А., Румянцев А. В., 2017

Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Сер.: Физико-математические и технические науки. 2017. № 2. С. 58 —

Today in creation of mathematical models of the stationary plasma thruster (SPT) a certain advance is noticeable, but all these models are based on empirical laws with a possibility of application to concrete type of the engine. The paper considers the possibility of constructing a mathematical model that takes into account the various physical processes taking place in the engine and based on statistical methods.

Ключевые слова: стационарный плазменный двигатель, математическая модель, эрозия.

Key words: stationary plasma thruster, mathematical model, erosion.

Для построения удовлетворительной модели нужно рассматривать работу двигателя с учетом всех нюансов, оказывающих влияние на его работу. На начальном этапе следует описать явления, встречающиеся практически во всех стационарных плазменных двигателях (СПД), но не имеющих своего описания в большинстве созданных моделей. Без понимания всех процессов, происходящих в двигателе, невозможно построить полноценную модель, учитывающую, в частности, процессы эрозии стенок разрядной камеры.

Опыт показывает, что СПД имеет определенную область эффективной работы, если рассматривать удельные характеристики двигателя в зависимости от плотности расхода в канале. Учитывая данный факт, можно сделать вывод о том, как плотность расхода характеризует двигатель с точки зрения ионизации рабочего тела. Причем данная характеристика определена геометрическими размерами разрядной камеры и не связана с изменениями ее размеров в выходной части. Опубликовано много работ, подтверждающих, что рабочее тело полностью ионизуется к началу ускоряющего слоя (зона с максимальным магнитным полем, находящаяся в выходной части разрядной камеры) [2]. Необходимо решить задачу, насколько длинной должна быть эта область и какой должна быть в ней индукция магнитного поля. Возможно, ее решение позволит продвинуться дальше в конструировании СПД.

Следует также уделить большее внимание двигателям с анодными катушками, поскольку в случае удачной конфигурации они дают вклад в тяговые характеристики на уровне пяти процентов. Надо заметить, что не во всех случаях виден описанный эффект, что, возможно, связано с плотностью расхода. Можно утверждать, что на сегодня нет убедительного объяснения и полного понимания эффекта, связанного с увеличением тяговых характеристик двигателя при использовании анодной катушки.

Практика показывает, что для каждого режима есть определенная величина магнитной индукции, которая изменяется в процессе ресурса. Отметим, что характер этого изменения имеет тенденцию к снижению напряженности магнитного поля с течением времени.

Особое внимание необходимо уделить взаимодействию плазмы со стенками разрядной камеры. Имеется много фактов, показывающих большое влияние материала разрядной камеры на параметры двигателя, во многих работах оно достаточно подробно рассмотрено и предложены гипотезы, описывающие процессы взаимодействия плазмы со

стенками разрядной камеры. Во время отработки двигателей наблюдаются характерные явления, такие как снижение тяговых характеристик за время ресурса двигателя, относительно высокие импульсные характеристики во время первых минут работы двигателя после запуска. Однако описание явлений, связанных с влиянием стенок разрядной камеры в отрыве от конфигурации магнитного поля, будет не полным. Вероятно, их можно объяснить взаимодействием со стенкой: электроны, которые формируют электрическое поле в канале, в первые минуты работы двигателя, взаимодействуя со стенкой, отдают тепловую энергию, при этом эффективность двигателя растет. Таким образом, можно объяснить увеличение тяговых и удельных характеристик двигателя с увеличением ширины канала.

Еще одно явление, на которое необходимо обратить внимание, — это снижение расходных характеристик двигателя с увеличением его типоразмера. Ряд авторов рассматривают влияние вакуума на характеристики двигателя [4 — 6]. В связи с этим нужно уделить особое внимание параметрам двигателя, измеренным во время наземной отработки. Существуют теории об однократно и многократно заряженных ионах рабочего тела в зависимости от разрядного напряжения [6]. Возможно, с увеличением размера двигателя происходит то же самое явление. Не исключено и то, что при этом не учитывается влияние окружающей среды при наземной отработке и, возможно, параметры расхода в условиях реальной эксплуатации будут несколько выше. Отметим, что и сами тяговые параметры не соответствуют измерениям, выполненным при наземных испытаниях. Это необходимо учитывать при расчете запаса рабочего тела, особенно для двигателей больших типоразмеров.

С целью построения модели рабочих процессов следует рассмотреть природу формирования электрического поля в канале с точки зрения статистического анализа и энергетического баланса. Необходимо более тщательно с точки зрения теории вероятности рассмотреть все возможные виды взаимодействия. Понимая все процессы, происходящие в двигателе, оценивая их количественно, можно будет показать, насколько эффективен двигатель и наметить пути для дальнейшего развития, а возможно, и отказа от этого ввиду выявившегося относительно малого преимущества.

Далее нужно рассмотреть движение электронов и ионов с учетом тепловых статистических движений, а не только с точки зрения электрических и магнитных взаимодействий. Например, при работе начинаются процессы эрозии, которые невозможно объяснить воздействием основного потока ионов плазмы двигателя на стенки разрядной камеры. Желательно посмотреть на процесс эрозии стенок разрядной камеры с другой точки зрения. Опыт показывает, что существует два процесса эрозии стенок: один из них связан с процессом, вызванным основным потоком, а другой — с пристеночными процессами. Следует отметить характерное поведение скорости эрозии стенок разрядной камеры, так как в определенный момент времени наблюдается значительное, свойственное всем двигателям, снижение скорости эрозии. Очевидно, что это замедление связано с первым механизмом эрозии,

определяющую роль в котором играет бомбардировка стенок разрядной камеры основным потоком ионов. Но второй механизм эрозии продолжает работать практически в течение ресурса двигателя. Особенно заметно явление, связанное со вторым механизмом процесса эрозии на двигателях с вынесенным магнитным полем, характерной проблемой для которых служит эрозия магнитных полюсов. Необходимо обратить внимание и на то, что эрозия имеет место там, куда основной поток ионов попадать не может. Процессы, связанные с эрозией полюсов, возможно, объяснимы с точки зрения транспортировки рабочего тела к местам эрозии, но и сейчас понятно, что такие явления связаны с градиентом магнитной индукции в этих местах. Не исключено, что процесс транспортировки связан с частичной рекомбинацией и тепловым дрейфом нейтральных атомов. Однако с уверенностью можно сказать, что, как и в канале двигателя, и там происходят подобные процессы, только в меньших масштабах.

Немало интересного наблюдается во время ресурса, связанного с эрозией стенок разрядной камеры. Существуют такие процессы, как аномальная эрозия, характерная для двигателя СПД-100, образование волнистого периодического рельефа на разрядной камере [3]. Еще одно явление, которое необходимо объяснить, — это процесс образования неравномерностей в разрядной камере, при появлении неравномерности на одной из стенок разрядной камеры наблюдается зеркальное отражение неравномерности на другой.

Наконец, особое внимание следует уделить параметрам разрядного тока, колебания которого имеют определенную частоту и определенную форму. Очевидно, что колебательные процессы играют немаловажную роль в работе двигателя. В некоторых случаях за время ресурса двигателя колебания разрядного тока достигают более половины самого разрядного тока. На некоторых современных моделях возможно установление таких режимов, при которых разрядный ток не будет иметь колебаний вообще при одновременном повышении параметров двигателя.

С учетом высказанных предложений возможно создание математической модели со следующими входными параметрами:

— материал разрядной камеры (зависимость эрозии от температуры, энергии падающего на поверхность ионного потока, угла падения);

— конфигурация магнитного поля в канале, его величина;

— расход рабочего тела;

— вид рабочего тела;

— окружающая среда, в которой работает двигатель.

Это позволит определять следующие интегральные характеристики двигателя:

— удельный импульс силы тяги;

— ресурсные характеристики двигателя.

Применение новых подходов при проектировании СПД позволит реализовать модель, позволяющую с достаточной точностью предсказывать параметры двигателя в процессе его ресурса; описывать тяговые и ресурсные характеристики двигателя. Это позволит перераспределить ресурсы, затрачиваемые на разработку двигателя. На данный момент внедрение новых идей тормозится необходимостью подтверждения новой конструкции длительными ресурсными испытаниями.

Внедрение новых математических моделей, позволяющих адекватно описывать процессы, происходящие в СПД, позволит проявлять гибкость при выборе двигателя для определенной задачи, и затрачивать намного меньшие ресурсы для доведения новых перспективных идей до летной стации.

1. Morozov A. I.. Fundamental Physics of Electric Propulsion. М. : Atomzidat, 1978. Vol. 1. In Russian.

2. Belikov M. B., Gorshkov O. A., Lovtsov A. S., Shagayda A. A. Probe Measurements in the Channel of 1.5 kW Hall Thruster with Discharge Voltage up to 1000 V // IEPC-2007-131 Presented at the 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy September 17-20, 2007.

3. Приданников С. Ю. Исследование характеристик стационарных плазменных двигателей при длительной работе : дис. . канд. техн. наук. Калининград, 2003.

4. Hofer R. R. et al. Characterizing Vacuum Facility Backpressure Effects on the Performance of a Hall Thruster // 27th International Electric Propulsion Conference, IEPC-01-045, Pasadena, CA, 2001.

5. Diamant K. D., Spektor R., Beiting E. J. et al. The Effects of Background Pressure on Hall Thruster Operation // 48th AIAA/ ASME/SAE/ ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, AIAA-2012-3735, Atlanta, GA, 29 Jul.-1 Aug., 2012.

6. Huang W., Kamhawi H., Haag T. Effect of Background Pressure on the Performance and Plume of the HiVHAc Hall Thruster // IEPC-2013-058 Presented at the 33rd International Electric Propulsion Conference, The George Washington University Washington, D. C. USA, October 6-10, 2013.

Денис Александрович Семененко — инженер-конструктор, ОКБ «Факел»; асп., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.

Альберт Владимирович Румянцев — канд. физ.-мат. наук, проф., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.

About the authors

Denis Semenenko — design engineer, EDB Fakel; PhD student, I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.

Dr Albert Rumyantsev — Prof., I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad. E-mail: vayt37@gmail.com

Результаты измерений локальных параметров плазмы в разрядном канале стационарного плазменного двигателя Текст научной статьи по специальности «Физика»

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — М. Ю. Титов, А. В. Лоян, Н. Б. Чупрына

В работе представлены результаты измерений локальных параметров плазмы в газоразрядном канале стационарного плазменного двигателя типа М70. Представлено описание области измерений; на примере записанной осциллограммы плавающего потенциала зонда объяснена логика сканирования области измерений. С помощью эмиссионного зонда измерены распределения плавающего потенциала зонда, потенциала плазмы., плотности ионного тока. В предположении максвелловского распределения электронов сделаны расчеты электронной температуры и концентрации заряженных частиц в канале двигателя. Представленные результаты имеют хорошее пространственное распределение.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — М. Ю. Титов, А. В. Лоян, Н. Б. Чупрына

Численное моделирование магнитной системы холловского двигателя мощностью до 100 Вт
Проблемы моделирования рабочих процессов стационарного плазменного двигателя

Разработка оптического приемника для измерения скорости эрозии отдельно наружной и внутренней керамических вставок газоразрядной камеры стационарного плазменного двигателя

Разработка модели эрозии разрядной камеры стационарного плазменного двигателя

Влияние формы ускорительного канала на динамику ускорения ионов в стационарном плазменном двигателе (СПД)

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Measurements of local plasma parameters in the discharge channel ofstationary plasma thruster

The paper presents results of measurements of the local plasma parameters in the gas discharge channel of the stationary plasma engine M70 type. The description of the measurement region is given; The description of the measurement region is given; explanation of scanning logic of measurements domain is done with help of recorded oscillogram of probe floating potential. Distributions of the floating potential, plasma potential and ion current density were measured using emissive probe. Assuming a Maxwellian electron distribution calculation of electron temperature and concentration of charged particles were done. The presented results have good spatial resolution.

Текст научной работы на тему «Результаты измерений локальных параметров плазмы в разрядном канале стационарного плазменного двигателя»

М. Ю. ТИТОВ, А. В. ЛОЯН, Н. Б. ЧУПРЫНА

Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», Украина

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ЛОКАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ В РАЗРЯДНОМ КАНАЛЕ СТАЦИОНАРНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ

В работе представлены результаты измерений локальных параметров плазмы в газоразрядном канале стационарного плазменного двигателя типа М70. Представлено описание области измерений; на примере записанной осциллограммы плавающего потенциала зонда объяснена логика сканирования области измерений. С помощью эмиссионного зонда измерены распределения плавающего потенциала зонда, потенциала плазмы, плотности ионного тока. В предположении максвелловского распределения электронов сделаны расчеты электронной температуры и концентрации заряженных частиц в канале двигателя. Представленные результаты имеют хорошее пространственное распределение.

Ключевые слова: плазменный двигатель, параметры плазмы, эмиссионный зонд.

Стационарный плазменный двигатель (СПД) — электрореактивный двигатель, в котором тяга создается потоком ионов, образованных и ускоренных в скрещенном электрическом и магнитном полях. Качество работы двигателя определяется эффективностью организации процессов ионизации и ускорения рабочего тела. Эти процессы имеют сложный характер и определяются многими факторами [1].

Несмотря на 50-летний опыт исследования и разработки СПД, до сих пор есть пробелы в полном понимании физических процессов и влиянии на них различных факторов [2]. Кроме того, сейчас предъявляются новые требования к СПД, и, соответственно, открываются новые области для исследований, которые ранее не рассматривались и не изучались [3]. Необходимо отметить, что большая часть исследований СПД была проведена в 70 — 80-х гг. С тех пор, наряду с бурным развитием науки и техники, повысилась точность измерительного и диагностического оборудования, усовершенствовались автоматизированные измерительно-вычислительные комплексы. Таким образом, даже повтор исследований должен повысить качество исследований, открыть новые особенности протекания физических процессов.

Наиболее информативным с точки зрения анализа протекающих в двигателе физических процессов является исследование локальных параметров плазмы в газоразрядной камере (ГРК) двигателя. Подобные исследования дают богатый материал для анализа физических процессов и поиска путей их оптимизации.

Первые исследования параметров плазмы датируются началом 70-х годов [4] и, что необ-

© М.Ю. Титов, А.В. Лоян, Н.Б. Чупрына, 2016

ходимо отметить, продолжаются до сих пор [5]. Однако систематизация результатов, полученных различными авторами, является сложной задачей. Это можно объяснить следующими причинами:

— основные сведения периода СССР были получены на лабораторных макетах СПД, конструкция которых существенно отличается от современных двигателей. Так, например, в работе [6] исследовался двигатель без магнитных экранов, установка которых, как впоследствии было обнаружено, приводит к улучшению характеристик двигателя. Поэтому практически все современные двигатели комплектуются магнитными экранами;

— полная информация о конструкции исследуемых двигателей не раскрывается с целью защиты коммерческой тайны, поэтому учет влияния «скрытых» факторов не представляется возможным. Часто, в публикуемых по данной тематике работах, не приводится информация о магнитном поле в ГРК, о материале стенок ГРК. При этом известно, что они в значительной степени определяют процессы в двигателе.

— нередко результаты исследований являются «нефизичными»; низкое пространственное разрешение измерений, а также их одномерность [5, 7], при явно двухмерном распределении параметров плазмы в ГРК двигателя, позволяет лишь качественно судить об изменениях в двигателе при изменении того или иного фактора;

— противоречия результатов полученных различными исследовательскими группами. Например, в [8] при использовании рабочего газа криптон вместо ксенон, было обнаружено

смещение зоны ионизации и ускорения в сторону среза ГРК, что противоречит результатам работы [9].

В связи с вышесказанным, актуальным является продолжение изучение физических процессов СПД с помощью исследования параметров плазмы в ГРК двигателя.

Авторами проводится серия экспериментальных работ по исследованию параметров плазмы в ГРК СПД зондовыми методами. В

[10] приведено описание экспериментального стенда, оборудования, двигателя, механизма перемещения зондов, в [11] — конструкции зондов и методики измерения их характеристик. В данной публикации представлены первые результаты измерений параметров плазмы в ГРК СПД с помощью эмиссионных зондов.

1. Область измерений

Область измерений параметров плазмы в ГРК двигателя схематически показана на рис. 1. По ширине область ограничена наружной и внутренней стенками. Крайняя левая граница области (со стороны анода) определяется размерами наклонной части державки зонда

[11], крайняя правая — приемлемым тепловым состоянием зонда, при котором не происходит его оплавления и разрушения.

Данные измерялись в 14 сечениях по ширине канала от Я20 мм до Я35. Ход зонда вдоль оси двигателя, для представленных в работе результатов, составляет 16 мм — [-13,7; +2,3] мм относительно среза ГРК.

канала (V) и повторяет движение вдоль канала двигателя. В такой последовательности происходит сканирование всей ГРК.

Рис. 2. Часть осциллограммы плавающего потенциала зонда в «холодном» состоянии

3. Результаты измерений

Измерения проводились на следующем режиме работы двигателя:

— расход газа через анод 1,3 мг/с;

— разрядное напряжение 150 В;

— разрядный ток 1,2 А;

— токи катушек выбраны из условия минимума разрядного тока.

Представление результатов измерений и расчетов параметров плазмы сделано в виде контурных графиков, построенных в пакете анализа численных данных OriginPro 8.5 . Сглаживание данных выполнено встроенным средством — сплайном типа «плоская пластина» с параметром сглаживания 0,01.

На рис . 3 приведено распределение плавающего потенциала эмиссионного зонда в «холодном» состоянии иплав, на рис . 4 — распределение потенциала плазмы О^аз^ (плавающий потенциал зонда в «горячем» состоянии [12]).

Рис. 1. Схема области измерений

2. Сканирование области

Измерения в ГРК проводились в режиме непрерывного сканирования. Процедура сканирования ГРК показана на примере записанной осциллограммы плавающего потенциала зонда (рис.2). После перемещения на i-ое сечение по ширине ГРК (I) зонд движется в направлении среза ГРК (интервал II — III) и возвращается обратно в направлении анода (III — IV); далее зонд перемещается на i+1 сечение по ширине

Рис. 3. Распределение плавающего потенциала зонда

3432 -302826 2422 -20

20 30 40 50 60 70 S0 90 100 110 120 130 140 150

Рис. 4. Распределение потенциала плазмы (пересчитано по отношению к потенциалу катода)

На рис. 5. представлено распределение плотности ионного тока на зонд ^ .

где к — постоянная Больцмана, Дж/К; е — заряд электрона, Кл; е — число е; mj — масса иона, кг;

те — масса электрона, кг. Для ксеноновой плазмы, подставив известные значения, получим следующее выражение:

^ _ ^плазмы U плав

Распределение Те представлено на рис . 6.

Рис. 6. Распределение температуры электронов

4.2 Концентрация заряженных частиц

Расчет концентрации заряженных частиц осуществлялся по измеренной плотности ионного тока на зонд в Бомовском приближении [14]:

Рис. 5. Распределение плотности ионного тока

4. Результаты расчетов

4.1 Температура электронов

Расчет температуры электронов Те сделан в предположении максвелловского распределения электронов по формуле связывающей потенциал плазмы и плавающий потенциал зонда [13]:

где ^ — плотность ионного тока на зонд, А/м2; а = 0,4 — безразмерный параметр; Рассчитанное распределение концентрации

представлено на рис . 7.

Рис. 7. Распределение концентрации электронов

Выводы и планы дальнейших работ

По приведенным результатам измерений и расчетов параметров плазмы можно сделать следующие выводы:

1. Примененный способ введения зонда со стороны анода позволяет получить каче-

ственные и количественные, с хорошим пространственным разрешением, распределения параметров плазмы;

2. Распределение параметров плазмы в ГРК имеет явно двухмерный вид. Наблюдается наличие области с максимальными значениями

В дальнейшем планируется исследование влияния различных параметров (разрядное напряжение, расход газа, магнитного поля) на распределение параметров плазмы в канале двигателя.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1. Ким В. П. Конструктивные признаки и особенности рабочих процессов в современных стационарных плазменных двигателях Морозова [Текст] / В. П. Ким // Журнал технической физики. — 2015. — Т. 85, № 3. — С. 45-59.

2. Архипов А. С. Стационарные плазменные двигатели Морозова [Текст] / А. С. Архипов, В.П. Ким, Е. К. Сидоренко. — М. : МАИ, 2012. — 290 с.

3. Ким В. П. Стационарные плазменные двигатели в России : проблемы и перспективы [Электронный ресурс] / В. П. Ким. — М.: МАИ — 2013. — № 60. — С. 1-12. Режим доступа : https://www.mai.ru/sci ence/trudy/published. php?ID=35374. — 1.04.2016 г.

4. Экспериментальное исследование плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения [Текст] / А. И. Морозов, Ю. В. Есипчук, Г. И. Тилинин [и др.] / Журнал технической физики. — 1972. — Т. 42, № 1. — С. 54-63.

5. Shastry R. Experimental Investigation of the Near-Wall Region in the NASA HiVHAc EDU2 Hall Thruster [Электронный ресурс] // R. Shastry, H. Kamhawi, W. Huang, T. W. Haag // 34th IEPC. — 2015. — IEPC-2015-246. — C. 1-11, Режим доступа : http:// erps.spacegrant.org/uploads/ images/2015Presentations/IEPC-2015-246_ISTS-2015-b-246.pdf. — 1.04.2016 г.

6. Бишаев А. М. Исследование локальных параметров плазмы в ускорителе с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения [Текст] / А.М. Бишаев, В. Ким / Журнал технической физики. — 1978. — Т. 48, № 9. — С. 1853-1857.

7. Shastry R. Experimental Characterization of the Near-Wall Plasma in a 6-kW Hall Thruster and Comparison to Simulation [Text] / R. Shastry, A. D. Gallimore, R. R. Hofer // 47th AIAA/ ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. — 2011. — AIAA 2011-5589. — C. 1-22.

8. Yim J. T. Computational Modeling of Hall Thruster Channel Wall Erosion [Электронный ресурс] : diss. doctor of philosophy : защищена 2008 / John Tamin Yim. — The University of Michigan, USA. — 160 с. Режим доступа : http:// www.ngpdlab.engin.umich.edu/files/papers/Yim. pdf. — 1.04.2016 r.

9 Local plasma parameter measurements by nearwall probes inside the SPT accelerating channel under thruster operation with Kr [Электронный ресурс] / Kim, D. Grdlichko, V. Kozlov [at all] // 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. — 2002. — AIAA 2002-4108. C. 1-5. Режим доступа : http://arc.aiaa.org/doi/ abs/10.2514/ 6.2002-4108. — 1.04.2016 r.

10. Титов M. Ю. Экспериментальный стенд и оборудование для исследования параметров плазмы в канале стационарного плазменного двигателя [Текст] / M. Ю. Титов // Авиационно-космическая техника и технология. — 2015. — № 7(124). -C. 121-125.

11. Титов M. Ю. Измерение зондовых характеристик в разрядном канале стационарного плазменного двигателя [Текст] / M. Ю. Титов,

A. В. Лоян // Авиационно-космическая техника и технология. — 2015. — № 8(125). — C. 82-88.

12. A comparison of emissive probe techniques for electric potential measurements in a complex plasma [Электронный ресурс] // J. P. Sheehan, Y. Raitses, N. Hershkowitz [и др.] / Phys. Plasmas. — 2011. — 18, — 073501. C. 1-10. Режим доступа : http://htx. pppl.gov/publication/Journal/Emissive%20probe. pdf. — 1.04.2016.

13. Райзер Ю. П. Физика газового разряда [Текст] / Ю. П. Райзер. — M. : Наука, 1992. — 536 с.

14. Алексеев Б. В. Зондовый метод диагностики плазмы [Текст] / Б. В. Алексеев,

B. А. Котельников. — M. : Энергоатомиздат, 1988. — 239 с.

Поступила в редакцию 12.06.2016

М.Ю. Tîtob, А.В. Лоян, Н.Б. Чуприна. Результати вим1рювань локальних параметр1в плазми в розрядному канал стащонарного плазмового двигуна

Уpo6omi представлеш результаты вим^рювань локальных napaMempie плазми в газороз-рядному кaнaлi стащонарного плазмового двигуна типу М70. Представлено опис oблaсmi вимipювaнь; на npиклaдi записано1 осцилограми плаваючого потенщалу зонда пояснена логКа сканування oблaсmi вимipювaнь. За допомогою емюшного зонда вимipянi розподыи плаваючого потенщалу зонда,, потенщалу плазми., щiльнoсmi шнного струму. У припущенш мaксвeллiвськoгo розподыу електронв зроблеш розрахунки електронно1 температури та концентрацИ заряджених частинок в кaнaлi двигуна. Представлеш результати мають гарне просторове розподы.

Ключов1 слова: плазмовий двигун, параметри плазми, емШйний зонд.

M. Yu. Titov, A. V. Loyan, N. B. Chuprina. Measurements of local plasma parameters in the discharge channel ofstationary plasma thruster

The paper presents results of measurements of the local plasma parameters in the gas discharge channel of the stationary plasma engine M70 type. The description of the measurement region is given; The description of the measurement region is given; explanation of scanning logic of measurements domain is done with help of recorded oscillogram of probe floating potential. Distributions of the floating potential, plasma potential and ion current density were measured using emissive probe. Assuming a Maxwellian electron distribution calculation of electron temperature and concentration of charged particles were done. The presented results have good spatial resolution.

Keywords: plasma engine, the plasma parameters, the emission probe.

Измеряем плотность плазмы в проекте геликонного двигателя

В 2016 году Хабр рассказал о старте проекта Курчатовского института по созданию прототипа безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД) мощностью 100 кВт. Сегодня этот проект выходит на финишную прямую, и пора измерять плотность плазмы и ускорение ионов, чтобы подобрать оптимальные режимы двигателя. Ведь двигателю придется работать на орбите десятки, а то и сотни часов, и фактическая плотность плазмы должна соответствовать расчетной для достижения требуемых параметров тяги и ресурса.

Кому он нужен, этот геликонный двигатель

Что такое геликонный двигатель. Это один из видов плазменных двигателей, входящих, наряду с ионными двигателями (ИД), в более общий класс так называемых электрических ракетных двигателей.

ГЕЛИКОН (от греч. helix, род. падеж. helikos — кольцо, спираль) — слабо затухающая электромагнитная волна, возбуждающаяся в газовой плазме или плазме твердых тел, находящейся в постоянном магнитном поле.

Далее — зачем вообще нужен плазменный ракетный двигатель. В ракетостроении, начиная с самых первых полетов и по сегодняшний день используются ракетные двигатели на химическом топливе (жидкостные и/или твердотопливные). Из плюсов — у них высокая тяга, позволяющая отправлять многотонные космические аппараты на околоземную орбиту и к планетам Солнечной системы. Из минусов — эти двигатели чрезвычайно прожорливы, и топливо занимает до 99% от возможной полезной нагрузки.

Что важно — для дальних перелетов в глубоком космосе традиционные ракетные двигатели не слишком подходят, т.к. при работе на химическом топливе имеют относительно низкую скорость выброса рабочих газов, не превышающую 5 км/с. Иными словами, с их помощью хорошо разогнать космический аппарат для дальнего полета с высокой скоростью не получится.

Для длительного межпланетного полёта двигатели космического аппарата должны обладать большей скоростью истечения газов (рабочего тела), недоступной для химических ракетных двигателей. Кроме того, очень актуальна задача экономии топлива. Поэтому космической отрасли требуется двигатель с многократно увеличенным удельным энергосодержанием рабочего вещества.

Схема работы геликонного двигателя. Источник: НИЦ

На эту роль уже несколько десятилетий претендуют различные типы электрического (плазменного) двигателя. В плазменном двигателе тяга возникает в результате выброса заряженных частиц, поэтому требуется источник электрической энергии для создания и ускорения заряженных частиц. К примеру, расчетная скорость выброса газов у плазменного двигателя находится в диапазоне от 5 до 50 км/с, т.е. может почти на порядок превышать скорость истечения газов у двигателя на основе химических реакций.

Здесь следует отметить, что в создании плазменных двигателей конструкторы уже давно добились определенного практического успеха. Впервые такой двигатель был применен в 1964 году для ориентации советской автоматической межпланетной станции «Зонд-2». На современных спутниках также можно встретить маломощные плазменные двигатели, выполняющие задачу коррекции аппаратов на орбите, смены позиционирования и для иных небольших перемещений в космосе. Иными словами, идея плазменного двигателя вполне рабочая, но требуется ее масштабировать, создав двигатели с тягой, достаточной для буксировки грузов по орбите или для дальних перелетов.

Геликонный плазменный ракетный двигатель (ГПРД) позиционируется в последнее десятилетие как новое поколение электрических двигателей для передвижения в космосе. Геликон — это название низкочастотной электромагнитной волны, которая возникает в плазме, находящейся во внешнем постоянном магнитном поле.

Большой вклад в популяризацию идеи геликонных двигателей внес Олег Батищев, кандидат физико-математических наук, выпускник и доцент МФТИ, и позже сотрудник Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН. В конце 2000-х Олег Батищев, работая в MIT (Массачусетский Технологический Институт), предложил идею одноступенчатого геликонного двигателя в виде кварцевой трубки с навитой обмоткой для создания магнитного поля и антенной для возбуждения геликонной волны. Поступающий газ ионизируется мощностью, подводимой к антенне, плазма разогревается, и магнитное поле направляет плазменную струю в нужном направлении.

Чтобы популяризовать свою идею, в 2009 году Олег Батищев организовал публичную демонстрацию плазменного двигателя, сделанного из бутылки Кока-Колы и жестяной банки, помещенных в вакуумную камеру. На YouTube сохранилась запись этого эксперимента с макетом мини-геликонного двигателя, хотя видео и не очень хорошего качества. Можно увидеть, как с подачей тока в бутылке загорается свечение, и струя голубой плазмы истекает из отпиленного донышка.

Небольшой итог: геликонный двигатель обладает несколькими преимуществами перед большинством других конструкций электрических ракетных двигателей. В нем отсутствуют электроды, погружаемые в плазму (эти электроды имеют малый ресурс), практически нет эрозии стенок рабочей камеры, можно относительно легко управлять тягой.

Геликонный двигатель без движущихся механических частей и подверженности эрозии может иметь значительный ресурс, и работать, пока он обеспечивается энергией и рабочим телом для создания плазмы.

Следует уточнить, что в геликонном двигателе, в отличии от традиционного реактивного двигателя, разделены источник энергии и рабочее тело. Источник энергии может быть любой — например, солнечная батарея или бортовой ядерный реактор.

В качестве рабочего тела (пока еще в теории) могут использоваться не только лабораторные водород или аргон, но и довольно распространенные во Вселенной виды газов, такие как азот. Иными словами, запас рабочего тела может пополняться прямо в космосе, «по дороге». Для работы на околоземной орбите или на орбите планет с атмосферой в этом качестве предполагается использовать разреженный атмосферный газ (воздух).

Об интерферометрии как методе измерения параметров плазмы

Прежде чем перейти непосредственно к рассказу о 94-гигагерцевом интерферометре, сделанном в Санкт-Петербурге для установки Е-1 Курчатовского института (на ней выполнен прототип геликонного двигателя), стоит рассказать, каковы типичные применения интерферометрии и почему они так важны для будущего мировой энергетики.

Методы измерения параметров плазмы крайне разнообразны, без преувеличения можно сказать, что в этом вопросе используется большая часть арсенала экспериментальной физики, так или иначе связанная с электромагнетизмом.

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

Интерферометры для диагностики плазмы делаются на основе лазерного или СВЧ излучения. Использование излучения с различными длинами волн имеют свои преимущества и недостатки, но и те, и другие активно применяются в одной из наиболее многообещающих областей науки и техники — установках магнитного удержания плазмы, в том числе предназначенных для реализации так называемого «управляемого термоядерного синтеза».

Наиболее известная конфигурация таких установок называется «токамак», что расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками». Сам термин появился в СССР вскоре после постройки первого токамака в 1954 году.

Конечной целью, побуждающей вводить в строй новые токамаки во многих странах мира, и повышать температуру плазмы от десятков до сотни и выше миллионов градусов, является создание устройства, позволяющего осуществить управляемый термоядерный синтез в коммерческих целях, а если говорить шире — для обеспечения человечества неисчерпаемым источником экологически чистой энергии на ближайшие тысячелетия.

Наиболее известным проектом в этой области является ITER – проект международного экспериментального термоядерного реактора (реактор расположен во Франции, но работу над его созданием ведут ученые из десятков стран мира, в том числе, большой вклад вносит Россия). Проект официально начат в 1988 году, в 2025 году планируется достройка самого большого токамака в мире, и только в 2035 году планируется достижение важнейшей промежуточной цели – получение энергии за счет слияния атомов дейтерия и трития (изотопов водорода) в гелий с выделением огромной энергии.

Надо отметить, что ITER изначально не предполагал возможности не только использования выделяемой энергии в коммерческих целях, но даже перевода этой энергии в электричество. Эту цель предполагается достичь в планируемом термоядерном реакторе DEMO (DEMOnstration power plant). Выход на режим генерации электроэнергии, когда часть вырабатываемой энергии будет использована для поддержания термоядерной реакции в токомаке и для других нужд электростанции, а часть – передана во внешнюю сеть – планируется после 2050 года. Этот этап развития термоядерной энергетики также является промежуточным, поскольку стоимость и объем вырабатываемой электроэнергии будут еще не такими, как у существующих даже на текущий момент электростанций. Постройка коммерческих термоядерных электростанций планируется еще позднее.

Впрочем, если большие международные проекты могут позволить себе развитие в течение многих десятилетий без коммерческого результата, частные компании, которые также существуют в этой области, рассчитывают получить коммерческие результаты гораздо быстрее.

Например, американская компания TAE Technologies (Try Alpha Energy Technologies, tae.com), основанная в 1998, создает реактор иного типа, который сочетает в себе физику ускорителей частиц и физику плазмы для решения проблемы удержания плазмы. Это позволяет использовать в том числе реакцию водорода с бором, которая имеет более высокий порог зажигания, но зато дает возможность полностью избавиться от «радиоактивного следа». Коммерциализация термоядерной реакции планируется в середине 2020-х, не считая того, что компания продвигает также коммерческое применение своих промежуточных результатов работы по созданию реактора в других областях — например, в медицине и в системах для зарядки электромобилей. Идея плазменной установки FRC (Field-reversed configuration), как средства получения ядерного синтеза — согласно опубликованной дорожной карте, уже близка к коммерческой реализации.

Дорожная карта создания промышленной электростанции на основе плазменного реактора в компании TAE Technologies (США). Источник: https://www.ukpropertyguides.com/wp-content/uploads/2019/01/ceo-of-tae-technologies-says-they-will-reach-commercial-fusion-by-2023-nextbigfuture-com.png

Следует упомянуть также британскую компанию Tokаmak Energy, основанную в 2009 году, которая ориентирована на создание сферических токамаков малых размеров с использованием высокотемпературных сверхпроводников. В планы компании входит запуск к 2030 году токамака с возможностью генерации электроэнергии.

Интерферометры для измерения плотности плазмы — сделано в России

Надо сказать, что разработка интерферометров для изучения плазмы, особенно под заказ для конкретной установки — это область высокого хайтека. В мире есть всего несколько компаний, способных изготавливать такие приборы, и одна из них — компания «ДОК» из Санкт-Петербурга. У команды «ДОК» большой опыт в изготовлении интерферометров для исследовательских токамаков, петербургскими интерферометрами оснащены многие токамаки в мире. Собранные в Петербурге интерферометры работают в компаниях TAE Technologies и Tokаmak Energy. Также петербургские интерферометры будут работать в токамаке Т-15МД, который планируется запустить в Курчатовском институте в 2021 году.

Плазменная машина Norman С-2W в TAE Technologies, где установлен 300 гигагерцевый СВЧ-интерферометр, собранный в Санкт-Петербурге. Фото TAE: https://tae.com/wp-content/uploads/TAE_Technologies_6528.jpg

Плазма в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу— это состояние вещества с очень высокой температурой, когда атомы полностью ионизуются, т.е. электроны и ионы существуют отдельно. При этом плазма удерживается сильным магнитным полем, чтобы избежать контакта со стенками установки. В частности, согласно опубликованным сведениям от Блумберг, в 2021 году в плазменной установке Norman С-2W в TAE Technologies зарегистрирована температура плазмы в 50 млн °C.

Разработчикам «ДОК» одним из первых в мире удалось решить важную задачу нечувствительности компонентов интерферометра к сильнейшему магнитному полю, которое используется в установках создания плазмы.

Магнитное поле плазменной установки отрицательно влияет на работу любой установленной вблизи аппаратуры, включая интерферометр. Поэтому интерферометр приходилось отодвигать как можно дальше от магнитного поля установки, доставляя СВЧ-сигнал по длинным волноводам.

Огромный минус такого решения — настолько большое затухание сигнала в длинных волноводах, что СВЧ-сигнал ослаблялся на один или даже два порядка по сравнению с ситуацией, когда СВЧ источник и приёмник расположены в непосредственной близости от установки. Поэтому создание нечувствительных к магнитному полю интерферометров — это большое технологическое достижение в отечественном и мировом приборостроении.

Теперь перейдем от общих рассуждений к конкретике и расскажем о 94-гигагерцевом интерферометре, 3 экземпляра которого поставлены в НИЦ «Курчатовский институт» на проект создания прототипа 100-киловаттного геликонного двигателя.

Передатчик 94-гигагерцевого СВЧ-интерферометра производства компании «ДОК» на макете геликонного двигателя . Источник: НИЦ Курчатовский институт»

Выбор рабочей частоты 94 ГГц был обусловлен в первую очередь концентрацией электронов в плазме. Частота 94 ГГц идеально подходит для измерения плазмы с плотностью электронов до 10 13 см -3 . Именно такая плотность характерна для геликонных источников.

Непосредственно вблизи плазмы располагается блок, состоящий из предусилителя, умножителя на лавинно-пролетном диоде, и узкополосного фильтра. Все эти элементы не чувствительны к магнитному полю. Высокостабильный источник «кварцевый синтезатор» располагается на отдалении от установки с макетом геликонного двигателя и соединяется с приёмником и передатчиком кабелями.

Рабочая частота диагностического оборудования (интерферометра) должна в несколько раз превышать плазменную частоту, которая прямо пропорциональна плотности электронов
(),
иначе СВЧ-волна просто не проникнет в плазму и отразится от неё, как будто плазма является для волны зеркалом. Именно поэтому для интерферометрии более плотной плазмы требуется использовать более высокие частоты. Согласно техническому заданию на интерферометр для Курчатовского института, плазменная частота в установке макета геликонного двигателя составляет примерно 30 ГГц.

Также, чтобы избежать проблем с отклонением зондирующего луча, отношение диаметра D плазменного облака к длине волны интерферометра λ, (D / λ) должно быть достаточно большим. В различных научных работах показано, что для цилиндрической плазмы с постоянной плотностью при соответствующем размере рупора должно соблюдаться условие D / λ > 3. Из-за особенностей, описанных выше, для макета геликонного двигателя была выбрана рабочая частота интерферометра 94 ГГц.

Стендовая плита с компонентами 94 ГГц интерферометра с блоками питания производства компании «ДОК» на макете геликонного двигателя. Источник: НИЦ «Курчатовский институт»

Многие спросят, почему 94 ГГц, а не ровно 90 ГГц? Дело в том, СВЧ-компоненты выпускаются на определенные дискретные частоты, и выбор этих частот обусловлен локальными минимумами ослабления СВЧ-сигнала в атмосфере и под действием других факторов в общем частотном спектре. К таким минимумам относится и участок вокруг 94 ГГц. Другие ближайшие минимумы ослабления СВЧ-сигнала лежат вокруг частот 76 ГГц (что очевидно мало) и 130 ГГц (можно использовать, но излишне дорого, так как с ростом рабочей частоты стоимость СВЧ-компонентов растет почти экспоненциально).

Особенностью СВЧ-интерферометрии и, в частности, интерферометров производства «ДОК», является возможность передачи «опорного» СВЧ сигнала не по «воздуху», а по коаксиальному кабелю, что гораздо удобнее с технической точки зрения. Преобразование в сигнал с частотой, необходимой для зондирования плазмы, происходит непосредственно в передатчике и в приемнике с помощью умножителей частоты (суммарный коэффициент умножения — это всегда целое число, и оно составляет, в зависимости от задачи, единицы или десятки раз).

Структурная схема канала интерферометра имеет следующий вид:

Структурная схема 94-гигагерцевого СВЧ-интерферометра производства ДОК для макета геликонного двигателя. Источник: «ДОК»

Гетеродины приемника и передатчика интерферометра запитаны от одного кварцевого генератора сигналами, немного разнесёнными по частоте. Прошедший через плазму сигнал преобразуется сначала в первую промежуточную частоту (ПЧ) 78 МГц, а затем во вторую ПЧ 200кГц.

Выбор относительно низкой частоты второй ПЧ позволяет записывать и анализировать сигнал в большом временном окне. Также в усилителях промежуточной частоты была реализована фильтрация частот 2 МГц и 10 МГц. Это было необходимо, так как для разогрева плазмы в макете геликонного двигателя используются СВЧ-генераторы большой мощности (десятки киловатт), работающие именно на этих частотах. Поэтому, чтобы избежать наводок, в тракте ПЧ была предусмотрена дополнительная фильтрация.

Измерения плотности плазмы проводятся на одной фиксированной частоте, поэтому сдвиг фазы возможно измерять с большой точностью и в реальном времени. Экспериментально измеренное среднеквадратичное отклонение фазы, которое обусловлено шумами прибора, составило 1°. Такая точность определения фазы позволяет проводить измерения плотности с погрешностью меньше 1%, поскольку в плазме геликонного двигателя набег фазы составляет несколько сот градусов.

The road ahead или планы на будущее

Впереди много работы — у НИЦ «Курчатовский институт» на горизонте года предстоит сдача макета геликонного двигателя заказчику с последующей работой над созданием промышленного образца маршевого ракетного двигателя на плазменной тяге, в том числе с масштабированием проекта под мощности двигателя до 1 МВт.

«При помощи СВЧ интерферометра можно получать значения плотности электронов. Это дает возможность экспериментально подобрать оптимальный режим работы установки макетирования геликонного двигателя, изменяя входные параметры (расход рабочего газа, конфигурацию магнитного поля, вводимую мощность). В дальнейшем система с СВЧ интерферометром в ходе исследований может дать ясный и простой метод количественной оценки ускорения ионов за счет ионного циклотронного резонанса», — такой комментарий был дан Евгением Буниным, сотрудником НИЦ «Курчатовский институт».

Компания «ДОК» работает над изготовлением интерферометра для токамака Т-15МД, нового проекта Курчатовского комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий. Для Т-15МД потребуется многоканальный интерферометр на частотах порядка 330 ГГц в так называемом терагерцовом диапазоне, т.е. на грани перехода радиоволн в область оптического спектра инфракрасного диапазона.

Интерферометр на 330 ГГц (длина волны около 1 мм) также может быть интересен тем, что с его помощью можно создать особенно узкий луч для исследования плазменных пучков с малым сечением. В установке Е-1 в НИЦ «Курчатовский институт» есть подобные сечения. Такой интерферометр на 330 ГГц может найти применение и для исследования плазмы под антенной геликонной установки, где плотность плазмы выше значения в 10 13 см -3 .

Интересные проекты реализуют в России, не правда ли?

Вы также можете к ним присоединиться — в компании «ДОК» открыты вакансии для специалистов по СВЧ-технике, конструкторов и сборщиков РЭА, программистов.

Исследование характеристик стационарных плазменных двигателей при длительной работе Приданников Сергей Юрьевич

Стационарные плазменные двигатели (СПД) находят все более широкое применение на борту современных космических аппаратов (КА). Число задач, решаемых СПД, увеличивается, и возрастают требования к тяговым, удельным и ресурсным характеристикам двигателей. В современных технических заданиях (ТЗ) на разработку электроракетных двигателей (ЭРД) одним из основных является требование обеспечения срока активного существования (САС) КА до 12. 15 лет, что возможно при существенном увеличении суммарного импульса и ресурса СПД до 3000 часов и более. Кроме того, в перспективных программах в ходе выполнения маневров требуется многорежимность работы СПД по мощности, тяге, скорости истечения рабочего тела. Эти требования существенно усложняют и удорожают разработку и создание новых двигателей, что определяет необходимость: исследования характеристик существующих СПД при длительной работе и выявление возможностей улучшения их параметров, а также разработки новых моделей СПД и прогнозирования их ресурса.

В результате успешного развития работ по СПД в СССР были созданы численные модели для описания процессов ионизации и ускорения, расчета таких интегральных характеристик СПД, как тяга и ионный ток, расчета эрозии стенок ускорительного канала. Разработаны полуэмпирические модели для расчета интегральных и ресурсных характеристик СПД «параметрического ряда», созданного в ОКБ «Факел». Но ни одна из разработанных к настоящему времени методик не позволяет описать динамику изменения тяговых характеристик двигателей при длительной работе, что необходимо при проведении инженерных расчетов применительно к современным задачам.

В качестве целей работы выбрано выявление возможностей повышения тяговой эффективности СПД при длительной работе и повышения ресурса двигателей, разработка рекомендаций по проектированию СПД перспективных схем с учетом необходимости обеспечения их длительной работы.

Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:

1. Анализ результатов длительных испытаний СПД для выявления закономерностей изменения тяговых характеристик при длительной (более 3000 часов) работе.

  1. Исследование закономерностей эрозии наиболее нагруженных элементов конструкции двигателей (разрядной камеры, магнитной системы, катодов-компенсаторов) при наработках двигателя более 3000 часов.
  2. Разработка методики прогнозирования износа керамических стенок разрядной камеры СПД с учетом теплового состояния элементов конструкции и тягоэнергетических характеристик двигателей, а также разработка методики прогнозирования изменения интегральных параметров при длительной работе.
  3. Экспериментальные исследования лабораторных моделей двигателей перспективных схем с повышенными тяговыми характеристиками, прогнозирование их ожидаемого ресурса, разработка методики выбора начальных токов в катушках намагничивания и их изменения при длительной работе.
  4. Внедрение предложенных методик и рекомендаций на основе полученных результатов в практические разработки.

Научная новизна работы состоит в том, что:

  1. Впервые выявлены закономерности изменения параметров СПД в процессе длительных испытаний (более 3000 часов) в условиях криогенного вакуума (при давлениях в вакуумной камере не более 1,33*10″ 2 Па по воздуху) и показано, что динамика изменения тяговых характеристик различных двигателей «параметрического ряда» имеет общий характер, связанный с изменением конфигурации выходной части ускорительного канала, свойств стенок разрядной камеры и электропроводящих свойств анода-газораспределителя из-за напыления на них материала, распыленного с выходных участков стенок разрядной камеры.
  2. Выявлены новые закономерности износа стенок разрядной камеры при больших степенях ее эрозии, а именно: показано, что характер износа качественно меняется при больших наработках — происходит выдвижение границы зоны эрозии ближе к срезу разрядной камеры и на последней стадии эрозия элементов конструкции может быть объяснена их распылением потоком ионов, обратным основному потоку.
  3. Разработана методика расчета износа разрядной камеры с учетом теплового состояния элементов конструкции и тягоэнергетических характеристик СПД.

Новизна отмеченных результатов определяется тем, что до настоящего времени только в ОКБ «Факел» были проведены детальные исследования эрозионных процессов в СПД при их испытаниях длительностью до 9000 часов. Их достоверность подтверждается тем, что они получены на основе анализа результатов испытаний длительностью 2000. 9000 часов более десяти образцов двигателей «параметрического ряда» различных типоразмеров.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

  1. Разработаны рекомендации по повышению стабильности интегральных параметров двигателя (КПД, скорость истечения) на 30. 50% при длительной работе за счет начального профилирования стенок ускорительного канала.
  2. Выполнен прогноз ресурса (не менее 15000 часов) и предельного суммарного импульса тяги серийного двигателя СПД-100 (не менее 4,5 МНс), показана возможность их повышения в два раза за счет увеличения толщины керамики разрядной камеры, применения новых износостойких материалов и уменьшении эрозии катодов-компенсаторов, а также возможность повышения скорости истечения рабочего тела серийных СПД разработки ОКБ «Факел» свыше 20000 м/с при сохранении достаточно большого ресурса двигателей.
  3. Разработаны и экспериментально исследованы модели двигателей перспективных схем с мощностью от 1,5 до 6,0 кВт с диаметрами наружной стенки ускорительного канала 100 и 140 мм, показана возможность повышения тяговой эффективности на (5. 10)%, возможность повышения скорости истечения рабочего тела свыше 30000 м/с, а также возможность обеспечения их большого ресурса, разработаны рекомендации по проектированию таких двигателей.

Отмеченные методики и рекомендации внедрены в проектных разработках ОКБ «Факел», выполненных для предприятий Росавиакосмоса (НПО им. С.А.Лавочкина, КБ «Салют» ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, НПО Машиностроения и др.), а также в разработках ОКБ «Факел» для зарубежных заказчиков Space System/Loral, SNECMA, ALCATEL, ASTRIUM, NASA в рамках программы работ совместного предприятия International Space Technology, Inc. (ISTI).

На защиту выносятся:

1. Модель изменения тягоэнергетических характеристик для «параметрического ряда» СПД при длительной работе.

  1. Методика расчета износа стенок разрядной камеры с учетом теплового состояния конструкции и тягоэнергетических характеристик СПД «параметрического ряда».
  2. Методика расчета типоразмера разрядной камеры многорежимного СПД, позволяющая выбрать рабочие точки по параметрам разряда, тяге, скорости истечения и суммарному импульсу.
  3. Методика выбора начальных токов в катушках намагничивания и их изменения при длительной работе.
  4. Результаты длительных стендовых испытаний СПД перспективных схем.

Указанные модели и методики разработаны лично автором, что подтверждается Заключением ОКБ «Факел» по данной диссертационной работе.

Апробация работы и научные публикации.

Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических советах и семинарах в ОКБ «Факел», Калининградском государственном университете, НИИПМЭ МАИ, Проблемном Совете №5 Росавиакосмоса, Конференции 5-го собрания металловедов России, Международном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика», на 24-й и 26-й Международных конференциях по электроракетным двигателям (ГЕРС), на 33-й и 34-й Объединенных конференциях AIAA по двигателям, 52-ом Международном астронавтическом конгрессе. Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 17-ти печатных работах и 4-х патентах Российской Федерации.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Первая глава диссертации посвящена исследованию ресурсных характеристик и разработке методики прогнозирования ресурса СПД. Во второй главе рассматривается методика расчета параметров двигателей «параметрического ряда» СПД с учетом длительности их работы, приведены результаты исследований двигателей новых конструктивных схем, позволяющих повысить тяговые и ресурсные характеристики; разработаны методики определения стабильности параметров перспективных двигателей при длительной работе. В третьей главе представлены основные результаты разработки двигателей PPS1350 и СПД-140, при создании которых использованы как результаты математических моделей для расчета их параметров и изменения этих параметров при длительной работе, так и отмеченные выше результаты разработки и

исследований перспективных моделей двигателей с улучшенной топологией магнитного поля, защищенные патентами Российской федерации.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

  1. В. Arkhipov, М. Day, N. Maslennikov, R. Gnizdor, S. Pridannikov, et al, «The Results of 7000 Hour SPTIOO Life Testing», paper IEPC-95-039, 24 th International Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, 1995.
  2. M. Bekrev, M. Day, S. Pridannikov, et al, «Integrated Test of an SPTIOO Subsystem», paper AIAA-97-2915,33rd Joint Propulsion Conference, Seattle, 1997.
  3. R. Gnizdor, K. Kozubsky, A. Koryakin, N. Maslennikov, S. Pridannikov, M. Day, «SPTIOO Life Test with Single Cathode up to Total Impulse Two Million Nsec», paper AIAA-98-3790, Joint Propulsion Conference, 1998.
  1. А. Тарасов, В. Мурашко, С. Приданников, «Вакуумная термическая обработка сварных и паяных магнитопроводов для технологических источников плазмы и ЭРД МТ», Сварочное производство, №11,1998, с. 23-27.
  2. К. Kozubsky, S. Kudriavtzev, Y. Lysikov, S. Pridannikov, «Study of Gas-Electrical Terminal in SPT», paper ГЕРС-99-062, 26 th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999.
  3. K. Kozubsky, S. Kudriavtzev, S. Pridannikov, «Plume Study of Multimode Thruster SPT-140», paper IEPC-99-073, 26 th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999.
  4. V. Gopantchuk, K. Kozubsky, N. Maslennikov, S. Pridannikov, «Performance of Stationary Plasma Thruster PPS1350 and its Qualification Status in Russia», paper IEPC-99-086, 26 th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999.
  1. R. Gnizdor, V. Kim, K. Kozubsky, N. Maslennikov, V. Murashko, S. Pridannikov, «Performance and Qualification Status of Multimode Stationary Plasma Thruster SPT-140», paper IEPC-99-090,26 th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999.
  2. K. Kozubsky, N. Maslennikov, S. Pridannikov, A. Rumiantzev, «Study of Long Operation Capacity of Stationary Plasma Thruster SPT-100 at Power 3500 W», paper IEPC-99-120, 26 th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999.

10. A. Tarasov, V. Murashko, S. Pridannikov, «Vacuum Heat Treatment of Welded and
Soldered Magnetic Circuits», Welding International, 13 (5), 1999, p. 409-412.

И. А. Тарасов, В. Панфилов, С. Приданников, «Вакуумная термическая обработка стали 10880 с эрозионно-стоикими покрытиями «, Металловедение и термическая обработка металлов, №10,2000, с. 15-18.

  1. А. Нестеренко, С. Приданников, «Перспективы развития СПД с высоким удельным импульсом», доклад на НТС ОКБ «Факел», июнь 2000.
  2. Р. Гниздор, А. Тарасов, С. Приданников, «Особенности структурных изменений стали 12Х18Н10Т в процессе термического воздействия плазмы ЭРД», Конференция 5-го собрания металловедов России, Краснодар, КубГТУ, 2001, с. 231-234.
  3. G. Popov, V. Obukhov, V. Murashko, A. Koryakin, S. Pridannikov, et al, «Development of Electric Propulsion System Based on SPT-140 for «Phobos-Soil» Mission», paper IAF-01-Q.3.b.05,52 nd International Astronautical Congress, Toulouse, France, October 2001.
  1. P. Гниздор, E. Наймановская, С. Приданников, А. Тарасов, «Компьютерное моделирование и анализ самоорганизации поверхностей при воздействии плазмы ЭРД на сталь 12Х18Н10Т», Сборник трудов «Фракталы и прикладная синергетика», Москва, МГОУ, 2001, с. 164-165.
  2. С. Приданников, А. Румянцев, «Ресурсные характеристики стационарных плазменных двигателей», Проблемы математических и физических наук: Материалы постоянных научных семинаров. — Калининград: Изд-во КГУ, 2001, с. 112-114.

17. Мурашко В.М., Тарасов А.Н., Приданников С.Ю., «О конструкторско-
технологических особенностях применения термостойких керамик на основе BN». Сборник
«Итоги диссертационных исследований», М.: РАН, 2003 (в печати).

  1. Гопанчук В.В., Гниздор Р.Ю., Козубский К.Н., Приданников СЮ. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов. Патент РФ на изобретение №2188337 RU, 12.07.2000.
  2. Гопанчук В.В., Гниздор Р.Ю., Козубский К.Н., Приданников СЮ. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов. Патент РФ на изобретение №2188521 RU, 12.07.2000.
  3. Гопанчук В.В., Козубский К.Н., Мурашко В.М., Приданников СЮ. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов. Патент РФ на изобретение №2191291 RU, 04.10.2000.
  4. Гопанчук В.В., Гниздор Р.Ю., Козубский К.Н., Приданников СЮ. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов. Патент РФ на изобретение №2202049 RU, 04.10.2000.

Влияние механической чистки изолятора разрядной камеры на параметры двигателей

При расчете скорости осаждения принималось, что пленка загрязнения состоит из материала изолятора с плотностью 2,0 г/см3. Следует отметить, что точность проведенных измерений скорости напыления невысока, так как за указанное время испытаний общий прирост массы образцов составляет 0,10. 0,15 мг, а погрешность измерения массы составляла ±0,05 мг, но полученные взвешиванием результаты хорошо согласуются с расчетом средней скорости нарастания пленки при прямом измерении ее толщины.

Отмечено, что керамические датчики загрязнения, установленные в средней части загрязненной зоны изоляторов, дают тень, направленную в сторону анода. В пределах тени интенсивность загрязнения нарастает от датчика к аноду. Это свидетельствует о том, что источником загрязнения является выходная часть разрядной камеры. На изоляторах в местах установки датчиков остались незагрязненные отпечатки, которые повторяют форму датчиков. Запыляются и участки под керамическими датчиками через отверстия диаметром 1 мм. Это означает, что среди загрязняющих частиц есть частицы, летящие поперек разрядной камеры (это могут быть и частицы, отраженные от противоположной стенки разрядной камеры).

В качестве источников загрязнения можно выделить следующие: пары вакуумного масла в объеме вакуумной камеры (продукты их термического разложения); — выделение загрязнения из элементов конструкции двигателя; — распыление конструкционных материалов вакуумной камеры плазменной струей; — распыление изоляторов разрядной камеры. Наличие паров вакуумного масла в остаточной атмосфере вакуумной камеры обнаруживается по продуктам их разложения масс-спектроскопическими исследованиями даже в камере, оборудованной криогенными и турбомолекулярными насосами. Значительно больше паров масла содержится в камерах, откачиваемых паромасляными насосами, особенно без азотных ловушек. Пары вакуумного масла разлагаются в струе плазмы на отдельные элементы, и продукты разложения могут быть источником загрязнения поверхности разрядной камеры и анода. Пары органических составляющих атмосферы вакуумных камер оказывают влияние на результаты испытаний, если их давление превышает 10″8ммрт.ст. За 1000 часов на стенках разрядной камеры может образоваться налет, электрическое сопротивление которого может быть менее 1 Ом, что меньше сопротивления разрядного промежутка. При длительных испытаниях устранение неблагоприятного воздействия на параметры двигателей и восстановление исходных значений параметров производилось путем механического удаления загрязнения. Такая чистка изолятора и анода при работе в камерах с паромасляной откачкой без азотных ловушек производилась через несколько десятков часов наработки. В камерах с паромасляной откачкой и азотными ловушками эта операция выполняется обычно через 100. 150 часов, хотя имеются наработки и до 300 часов. В камере с криогенной и турбомолекулярной откачкой была получена наработка длительностью 450 часов без чистки разрядной камеры. В составе изолятора разрядной камеры (БГП-10) может содержаться до 1,5. 2,0% примесей: углерод, карбид бора, железо, алюминий, титан и др. Поскольку эти элементы обнаруживаются в составе пленки загрязнения, то представляется возможным ее образование за счет диффузии примесей из толщины изолятора при длительной работе двигателя. Однако это предположение может быть отвергнуто по следующим соображениям: — на торцевой заанодной части разрядной камеры загрязнения не обнаруживаются -эта часть камеры как бы защищена анодом; — под образцами, установленными на стенках разрядной камеры, после работы двигателя поверхность изолятора остается чистой, тогда как остальные поверхности изолятора покрыты темным налетом. Следовательно, источник загрязнения является внешним по отношению к месту образования налета. При высокой температуре конструкции работающего двигателя из узлов могут выделяться летучие компоненты. Катушки намагничивания при рабочих температурах выделяют летучие составляющие. При их нагреве в вакууме до температуры 450С наблюдалась потеря массы, которая достигала 1,8% по отношению к массе неметаллических комплектующих. После прогрева в течение 3 часов процесс испарения массы прекратился, и масса стабилизировалась. Таким образом, влияние загрязнений от катушек может проявиться во время первых включений двигателя на приемочных испытаниях. После проведения приемочных (контрольно-технологических) испытаний разрядная камера двигателя очищается, и во время длительной наработки катушки не могут рассматриваться как источник загрязнения.

Наличие в составе загрязняющих пленок железа, хрома и никеля свидетельствует о распылении ускоренными ионами конструкционных материалов вакуумной камеры, изготовленной из нержавеющей стали. Для ресурсных испытаний предпочтительнее вакуумные камеры большого размера, так как в этом случае двигатель виден со стороны распыленной поверхности под меньшим телесным углом, чем в камере малого размера. Измерения, проведенные Г. Кауфманом во FRR /45/, дали скорость роста пленки за счет распыления конструкционных материалов вакуумной камеры около 0,02 А/с, что существенно меньше полной скорости образования пленки на изоляторах и аноде. Расчет толщины пленки металлизации, образовавшейся на элементах конструкции двигателя, стоявшего рядом с работающим СПД-100 №58 во время 450-часовых испытаний в ОКБ «Факел» на стенде с криогенной откачкой, дал величину скорости напыления около 0,012 А/с, что сравнимо с результатами Г. Кауфмана.

Таким образом, распыление конструкционных материалов вакуумной камеры, давая вклад в загрязнение изоляторов и анода СПД, не является основным источником загрязнения. Однако металлы в пленках могут изменить поверхностную проводимость стенок разрядной камеры. Расчет электрического сопротивления пленки металлов на стенках разрядной камеры, толщина которой соответствует 1000 часам наработки, дает величину сопротивления порядка 0,1 Ом при условии покрытия стенок сплошным слоем чистого металла. Эта величина значительно меньше сопротивления разрядного промежутка. В реальных условиях стендовых испытаний образуются не чистые пленки металлов, а композиции из металлов, керамики и углеводородов, сопротивление которых должно быть больше.

Для большинства конструктивных материалов нижний порог распыления ионами составляет 20. 30 эВ. Достигнув в процессе ускорения в разрядной камере двигателя энергии этой величины, ионы при выпадении на стенки разрядной камеры распыляют их, образуя зону эрозии в выходной части шириной 5. 8 мм. Коэффициент распыления материалов в струе плазмы практически линейно возрастает с ростом энергии ионов, поэтому скорость распыления стенки увеличивается к выходу разрядной камеры. Этот коэффициент также зависит от угла падения ионов на стенку. В процессе эрозии изолятора и по мере формирования развитого профиля эрозии углы падения ионов на распыляемую стенку увеличиваются, достигая значений, при которых коэффициент распыления становится малым; это проявляется в снижении скорости эрозии с увеличением длительности испытаний /33,34/.

Подобие параметров двигателей «параметрического ряда» при длительной работе

Дополнительную защиту катода можно обеспечить за счет диэлектрического покрытия поджигных электродов. В катоде КН-3 торцевая часть поджигного электрода покрыта слоем окиси алюминия толщиной до 0,5 мм. Использование диэлектрического покрытия препятствует заметному увеличению энергии ионов, так как каждый участок его поверхности находится под плавающим потенциалом и разность потенциалов между диэлектриком и прилежащей плазмой невелика. Поэтому для уменьшения эрозии поджигного электрода необходимо увеличение толщины диэлектрического покрытия до 1,5. 2,0 мм.

В качестве третьего способа увеличения ресурса катодов-компенсаторов предлагается схемное решение. При этом выбор работающего катода при эксплуатации двигателя следует делать с учетом направления холловского тока. Эффект защиты катода может быть усилен за счет азимутального изменения плавающего потенциала, когда у работающего катода потенциал плазмы несколько ниже, чем у окружающего пространства, поэтому и скорость его эрозии ниже. Это позволит дополнительно уменьшить энергию ионов /77/. Данные рекомендации были внедрены в двигатель PPS1350 и проверены при длительных испытаниях этого двигателя в ОКБ «Факел».

В конструкции двигателей PPS1350, СПД-140 и СПД-100С уже внедрены предложения, направленные на повышение ресурса катодов-компенсаторов и подтвердившие свою эффективность и практическую ценность при длительных испытаниях (более 7200 ч) /12. 14, 78/. Например, результаты, подтверждающие значительное повышение эрозионной стойкости катодов-компенсаторов за счет изменения их положения и схемных решений показаны на Рис. 78. Рис. 80. В двигателях PPS1350 и СПД-140 при суммарном импульсе тяги 1,62 МН-с и 1,76 МН-с, соответственно, практически отсутствует эрозия поджигного электрода у основного и резервного катодов-компенсаторов, обнаруженная в ходе длительных испытаний SPT-100 #03 (суммарный импульс тяги 1,68 МН-с).

При модернизации конструкции СПД-100, аналогичной PPS1350, и увеличении толщины диэлектрического покрытия, можно прогнозировать ресурс поджигного электрода катода КН-ЗВ не менее 15000 часов без его разрушения. Таким образом, реализация этих дополнительных мер по уменьшению эрозионных процессов элементов катода позволит существенно увеличить ресурс катода КН-ЗВ и обеспечит ресурс в целом его конструкции, по крайней мере, 15000 час и обеспечит суммарный импульс тяги двигателя 4. 5 мН-с при работе на одном катоде.

Как показано в разделе 1.1 длительные испытания в 70. 80-х годах не позволяли выявить тенденции в изменении параметров, т.к. испытания велись в ограниченных условиях по имитации космического пространства: вакуумные камеры малых размеров с диффузионной откачкой, периодические вскрытия вакуумных камер. В 90-х годах (раздел 1.2) были получены уникальные результаты длительных непрерывных испытаний двигателей СПД в криогенном вакууме длительностью 7424 ч и 9066 ч, обеспечивших высокую воспроизводимость их параметров (Рис. 24): различия в значениях тяги двух двигателей SPT-100 #03 и #05 не превышают 1,5% и характер изменения тяги этих двигателей идентичен с присущими им четырьмя характерными участками.

В данном разделе обобщены имеющиеся данные по длительным испытаниям двигателей СПД «параметрического ряда» ОКБ «Факел», выполнен анализ изменения параметров двигателя СПД при длительной работе, предложена модель изменения тяги при длительной работе СПД, описывающая ее взаимосвязь с эрозией элементов конструкции и процессами накопления собственных продуктов распыления в разрядной камере. Эта модель основана на представленных выше результатах длительных непрерывных испытаний в криогенном вакууме.

Упомянутая модель описывает динамику изменения тяги (F) при длительной работе, отнесенной к тяге в начальный момент испытаний (РНАЧ) В безразмерном виде. На Рис. 81 в качестве примера показано, что изменение тяги двигателя SPT-100 #05 во времени описывается с точностью ±2,5% предложенной аппроксимирующей функцией:

Отклонения в суммарном импульсе тяги, рассчитанные по зависимости (15) для двух коэффициентов Ь, не превышают 0,1% от экспериментальных значений, но для дальнейшего анализа воспользуемся моделью, где Ь 1, как более точно описывающего характерные участки изменения тяги.

Нами исследовано изменение тяги десяти двигателей СПД «параметрического ряда» различных типоразмеров (70 и 100 мм) и различной мощности (650, 1350 и 1500 Вт) в зависимости от времени работы и от выработки суммарного импульса тяги. Указанные двигатели (Табл. 4) проходили испытания на различных этапах наземной отработки в различных стендовых условиях (масляный и криогенный вакуум при давлениях от 10″4 до КГ6 мм рт. ст. по воздуху). Конечно, следует отметить, что наиболее полная информация имеется по двигателям SPT-100 и PPS1350, испытывавшимся в криогенном вакууме, когда исключены или минимизированы воздействия от условий испытаний, и двигатели не подвергались механической чистке разрядной камеры. В этом случае у двигателей SPT-100 (см. раздел 1.2.2 и /47. 50,36. 54/) и PPS1350 /13, 14, 78/ имеются четко выраженные четыре участка в изменении тяги от времени. Но даже с учетом «ограниченности» имеющихся данных по двигателям М70 /79, 80, 81/, М70БР /82, 83/ и М100 (см. раздел 1.1.3 и /26, 27/) -эти двигатели также имеют описанные выше характерные участки изменения тяги при длительной работе.

Воспользуемся выражением (15) и покажем изменения отклонения тяги за время испытаний от начального значения (F/FHAH) на примере пяти различных двигателей: СПД-70, СПД-100, PPS1350, имеющих наработку от 1800 до 7500 часов (Рис. 83). Разброс отношения F/FHA4 ДЛЯ всех этих двигателей укладывается в диапазон ±6% (0,94. 1,1) Разброс отклонений значений тяги для каждого из пяти двигателей составляет ±2,5% как и для двигателя SPT-100 #05 (Рис. 81), что находится в пределах погрешности измерения тяги.

Методика выбора оптимального типоразмера двигателя

Подставив в выражение (47) значение приведенного суммарного импульса fw =0,37 МН-с в «критичный» момент времени 1300 ч для СПД-100; Ai=0,I6 (см. выражение (19)); тягу для СПД-140 280 мН, получим значение tKp=2300 ч. Т.е. можно ожидать, что начало улучшения параметров SPT-14G начнется после наработки 2300 ч исходя из рассматриваемой гипотезы о взаимосвязи изменения параметров при длительной работе и загрязнением канала двигателя продуктами распыления керамики разрядной камеры.

Из Рис. 86 видно, что в «критичное» время для СПД-100 объемная скорость эрозии равна 0.00514 см3/ч. Для наработки 2300 ч двигателя СПД-140 объемная скорость эрозии также равна 0,00514 см /ч. Таким образом, применив подходы подобия к характеристикам и процессам эрозии в длительной работе, получаем одну и ту же величину времени — 2300 ч, соответствующую «критичному» времени для СПД-140.

Сравнение изменения тягоэнергетических параметров СПД-100 и СПД-140 в длительной работе и после моделирования профилей эрозии (2100; 3000 и 4000 часов) при мех обработке показано на Рис. 129, где в виде горизонтальной линии нанесено требование к уровню характеристик на момент достижения квалификационной наработки (EOL).

Как видно из Рис. 129 изменение параметров двух двигателей при длительной наработке имеет схожие тенденции, подтверждающий гипотезу, что в начальный момент наработки при интенсивном загрязнении разрядной камеры распыленной керамикой происходит снижение параметров. Отмеченное снижение параметров не наблюдается в дальнейшем при длительной работе СПД-100, PPS1350 и после профилирования разрядной камеры СПД-140, когда существенно снижаются линейная и объемная скорости эрозии.

Для повышения стабильности параметров СПД-140 в длительной работе и для сокращения значения «критичного» времени, предлагается выполнить начальное профилирование наружного и внутреннего изоляторов. Этот предлагаемый профиль отмечен на Рис. 127, как «новый начальный профиль». Данное профилирование по расчетам позволит снизить объем загрязнений от двигателя на 18,5 см3 или 40% от общего объема распыления керамики за время наработки 7200 часов при снижении расчетного ресурса по толщине изолятора на торце камеры всего лишь на 9%. Эта величина для СПД-140 не является критичной, т.к. размеры разрядной камеры имеют запасы на эрозию по укорачиванию изолятора в сторону магнитных полюсов и анода, аналогично, как и в СПД-100.

При начальном профилировании объемная скорость эрозии будет снижена в 3 раза, что позволит повысить стабильность параметров в длительной работе на 30. 50% (процесс снижения тяги за первые 1500 часов) и стабилизировать значения тяги в диапазоне 280. 285 мН (см. Рис. 129). В этом случае критическая точка для SPT-140 будет соответствовать наработке двигателя 1000. 1600 часов с последующим ростом тяги до 290 мН. Подтверждение такого прогноза было получено при модельных испытаниях с укороченными временными базами на ДМ2, ДМ4 и ДМ6 с проточенными камерами, где была апробирована и подтверждена предложенная методика повышения стабильности параметров СПД в длительной работе. Следует отметить, что профилирование разрядной камеры может быть выполнено не только на внутренних поверхностях канала, но и на наружных стенках разрядной камеры /141/. Выше было показано, что в нескольких программах двигатель СПД-140 планируется использовать как многорежимный с диапазоном возможной работы от 2,0 до 6,0 кВт при различном напряжении разряда в диапазоне 300. 600 В. Результаты прямых экспериментов и выполненные тепловые расчеты показали, что с ростом разрядной мощности выше 4,5 кВт температура стенок разрядной камеры (Рис. 130) возрастает до величины, когда начинается экспоненциальный рост термозависимого коэффициента эрозии (Рис. 99), что снижает ресурс керамики.

Разработка СПД-140 и других перспективных СПД со скоростями истечения на уровне 30 км/с (удельный импульс -3000 с) и повышенными требованиями к суммарному импульсу показали, что применяемая керамика БГП-10 не обеспечивает длительную высокоэффективную работу СПД. Например, при напряжениях разряда выше 600 В перегревается керамика разрядной камеры и ухудшаются параметры двигателя из-за роста электронной составляющей тока разряда. Вероятной причиной такого изменения является состав БГП-10, который содержит значительный процент двуокиси кремния (до 50% БіОг), физические свойства которого не обеспечивают работоспособность в плазме при высоких температурах. Возможно, это происходит с ростом коэффициента вторичной электронной эмиссии материала /142/ в рассматриваемых условиях, но это требует дополнительных исследований.

Поэтому в рамках диссертационной работы были выполнены исследования новых материалов разрядных камер с целью снижения возможного риска усиления термозависимой эрозии (Рис. 99) и повышения ресурса двигателей, и удельного импульса СПД.

На первом этапе были выполнены исследования американской нитридборной керамики АХ05, производства Saint-Gobain США, с более высокими эрозионными (в два раза лучше БГП-І0) и тепловыми характеристиками /143/. Испытания выполнялись в составе двигателя СПД-100. Для исследования влияния данного материала на тягоэнергетические и вольтамперные характеристики СПД были изготовлены выходные части разрядной камеры. Изучение эрозионных характеристик материала велось на небольших образцах, помещаемых в канал разрядной камеры (см. Рис. !8), путем взвешивания и измерения образцов после экспозиции в плазменной струе работающего двигателя. В исследуемом диапазоне напряжений до 450 В параметры двигателя с разрядными камерами из разных материалов не отличались, а эрозионные характеристики образцов материала АХ05 оказались в 1,5. 2,0 раза лучше, чем у БГП-10. Эти исследования позволили применить данных материал в составе высокоимпульсного СПД и достичь на этом двигателе напряжения разряда 1200 В и удельного импульса 3700 с /89 и 90/, чего не удавалось достичь с керамикой БГП-10.

На втором этапе исследований проводились прямые длительные испытания керамики АХ05 в составе двигателя СПД-140 при наработке до 300 часов. Параметры двигателя СПД-140 ДМ7 с материалом АХ05 в длительной работе стабильнее параметров СПД-140 ДМ2 с керамикой БГП- І 0, показанных на Рис. 131 и ранее на Рис. 129.

Диапазон регулирования СПД-140

Обращают на себя внимание произошедшие в ходе испытаний изменения во внешнем виде трех материалов и то, что наименьшее поверхностное изменение наблюдается у материала СОО. Если принять коэффициент распыления БГП-10 за единицу, то, для керамики АХ05 был получен коэффициент распыления в 2,2 раза меньший (ранее в других экспериментах 1,4. 2,0), а для материала СОО в 1,4 раза меньший. С учетом того, что плотность у СОО меньше, чем у АХ05, эти результаты вполне объяснимы (см. выражение (41) в разделе 2.2). Некоторые физико-технические свойства борнитридных керамик, полученные от изготовителей или измеренные при исследованиях в ОКБ «Факел», приведены в Табл. 35.

Как показывает анализ данных в Табл. 35, керамики АХ05 и С00 по отношению к БГП-10 обладают большей пористостью, что накладывает дополнительные требования к подготовке двигателя к включению после контакта с атмосферой. Это подтверждают и результаты испытаний разрядных камер из данных керамик в составе СПД-140 и СПД-70. Из Табл. 35 видно, что керамики АХ05 и С00 имеют преимущество по коэффициенту теплопроводности, особенно при повышении температуры. Это позволяет более эффективно отводить тепло из канала разрядной камеры, что подтверждается испытаниями в СПД-70, где при одинаковых параметрах разряда температура разрядной камеры из С00 была на 100С ниже, чем у БГП-10. Замена БГП-10 на АХ05 или С00, наряду с большими допустимыми рабочими температурами, позволяет снизить риск развития термозависимой эрозии и повысить ресурс разрядных камер.

Т.е. по результатам испытаний опытных образцов можно сказать, что в России имеется нитридборная керамика, которая по эрозионным свойствам почти в полтора раза лучше БГП-10 и, что имеется возможность использования в СПД отечественных нитридборных керамик, не уступающих по характеристикам лучшим зарубежным образцам. Очевидно также, что необходимо продолжение данных исследований.

В качестве примера, иллюстрирующего влияние мощности разряда и свойств материала (эрозионных и термозависимых) на ресурсные характеристики, выполним расчет эрозии разрядной камеры СПД-140 при работе с различной разрядной мощностью на примере программы «Фобос-Грунт». За критерий эрозионного процесса примем выработку толщины изоляторов (В„ и В„) за счет радиальной эрозии (гв и г„) по срезу разрядной камеры (см. Рис. 44).

Для программы «Фобос-Грунт» расчет эрозии и прогноз ресурса двигателя усложняется тем, что двигатель на орбите Земли начинает работать с мощности 6,0. 6,5 кВт, а к орбите Марса мощность снижается до 2,5. 3,0 кВт. Для расчета прогноза эрозии керамики необходимо учитывать изменения мощности ЭРДУ от времени полета и изменения параметров двигателя от мощности. Воспользовавшись зависимостью (46) построим прогноз эрозии ги и гн внутреннего и наружного изоляторов для двух вариантов изменения мощности при полете к Марсу. Такой расчет прогноза эрозии СПД-140 для БГП-Ю показан на Рис. 137. Выражение (46) позволяет выполнить расчет и для другого случая, например, при применении другого материала изолятора, если принять в качестве базовых уже известные коэффициенты для БГП-10. Выполнив пересчет коэффициентов, отражающих изменение мощности, КПД, температуры, материала изолятора, входящих в выражение (46), получим кривые прогноза эрозии для керамики АХ05 (Рис. 137), приняв коэффициент распыления меньший в 1,7 раза по отношению к БГП-10. На Рис. 137 показана линия, обозначающая запас стенки изолятора разрядной камеры по толщине на срезе керамики (В„ и В„ на Рис. 44).

Таким образом, из расчетов, показанных на Рис. 137, видно, что СПД-140 имеет запас по времени протекания эрозионных процессов, и суммарный импульс тяги двигателя можно ожидать не менее 9 МНс, т.е. один СПД-140 может выработать полный суммарный импульс тяги, требуемый для программы «Фобос-Грунт». В случае применения перспективных износостойких керамических материалов АХ05 или С00 двигатель имеет двукратный запас керамики на эрозию, что позволяет снизить сухую массу ЭРДУ на 10 кг или на 7%, сократив количество СПД-140 с трех до двух и увеличив при этом массу полезной нагрузки.

Определение пространственного распределения параметров струи плазмы: плотности ионного тока и энергетического спектра ионов при длительной наработке имеет большое значение для определения возможного механического, теплового, эрозионного и загрязняющего воздействия при работе СПД на элементы конструкции и подсистемы КА. Т.к. двигатель СПД-140 является многорежимным по разрядным параметрам и работает в диапазоне токов 6. 15 А при мощностях 2. 6 кВт, то исследования проводились на нескольких режимах работы /146/.

Измерения параметров ускоренных ионов выполнялись автором при работе демонстрационных образцов СПД-140 на стенде ОКБ «Факел» с диаметром рабочего отсека вакуумной камеры 2,5 м и длиной 6 м (Рис. 17). Вакуумная система стенда 71-3-90 для увеличения быстроты откачки Хе была модернизирована дополнительными двумя гелиевыми криоадсорбционными насосами (Рис. 23), установленными в торцевой части рабочего отсека. При испытаниях давление в вакуумной камере составляло (1,6. 3,2) 10″5ммрт. ст. (по Хе) при изменении значений тока разряда в диапазоне 6,67. 15 А, соответствующих мощности разряда 2. 4,5 кВт при напряжении разряда 300 В.

Параметры струи плазмы (плотность тока ускоренных ионов) измерялись подвижным односеточным зондом-энергоанализатором (RPA), который перемещался специальным механизмом вдоль окружности с радиусом 1 м, расположенной в горизонтальной плоскости, проходящей через ось двигателя и имеющей центр в точке пересечения оси двигателя с плоскостью среза разрядной камеры (см. Рис. 138). Зонд перемещался в передней полусфере двигателя в диапазоне углов от -90 до +90 градусов. Зонд-энергоанализатор, конструкция и схема подключения которого показаны на Рис. 139, имел «плавающий» корпус, сетку с отрицательном смещением потенциала 10. 25 В относительно стенок вакуумной камеры для отсечки электронов плазмы и коллектор, на котором задавалось положительное смещение потенциала относительно корпуса вакуумной камеры. При измерениях распределения плотности ионного тока коллектор имел положительное смещение 25. 50 В, основные измерения выполнялись при потенциале коллектора 20 В (Рис. 140а). При исследованиях энергетического спектра ионов потенциал смещения на коллекторе изменялся до +300 В (ограничение по техническим причинам).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *