Автореферат (Влияние величины и топологии магнитного поля на интегральные характеристики стационарных плазменных двигателей (СПД))

На правах рукописиМитрофанова Ольга АлександровнаВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ТОПОЛОГИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НАИНТЕГРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАЗМЕННЫХДВИГАТЕЛЕЙ (СПД)Специальность 05.07.05«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательныхаппаратов»Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукКалининград – 2015Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии«Опытное конструкторское бюро «Факел», г. КалининградНаучный руководитель:кандидат физико-математических наук,профессорРумянцевАльбертВладимировичОфициальные оппоненты:Марахтанов Михаил Константинович – доктор технических наук, профессор,Московский государственный техническийуниверситет им. Н.Э.

Баумана, заведующийкафедрой Э-8Смирнов Владимир Александрович – кандидат физико-математических наук,ведущий научный сотрудник, Курчатовскийядерно-технологическийкомплексНационального исследовательского центра«Курчатовскийинститут»,ведущийнаучный сотрудник отделение ТокамаковВедущая организация:Федеральное государственное унитарноепредприятие«Центральныйнаучноисследовательскийинститутмашиностроения» (ФГУП ЦНИИмаш)Защита состоится "16" ноября 2015 г. в 13:00 часов на заседании диссертационногосовета Д 212.125.08, созданного на базе Московского авиационного института(национального исследовательского университета) (МАИ) по адресу: 125993, г.Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета) (МАИ)www.mai.ru/events/defence/Автореферат разослан « »2015 г.Ученый секретарь диссертационного советаД 212.125.08 д.т.н., профессор2Зуев Юрий ВладимировичАктуальность темыВ России успешно разрабатываются и широко применяются электроракетныедвигательные установки (ЭРДУ) на базе стационарных плазменных двигателей(СПД).

СПД являются высокоэффективными и надежными изделиями космическойтехники и признаются в мире лучшими двигателями своего класса.Основными требованиями к современным СПД являются высокие значенияудельного импульса тяги (1000..3000 с и более) при обеспечении высокойэффективности работы, повышенный огневой ресурс (10000 часов и более),пониженное влияние плазменной струи на функционирование космического аппаратаи обеспечение многорежимности работы по мощности, тяге и скорости истечениярабочего тела.Известно, что уровень выходных и ресурсных характеристик СПД обусловленэффективностью организации в нем основных рабочих процессов (ионизации иускорения), в значительной степени, зависящей от параметров и топологиимагнитного поля двигателя.Предполагается, что процессы ионизации и ускорения в СПД происходят ведином слое ионизации и ускорения (СИУ).

Принято считать, что проблемаповышения основных характеристик двигателя может быть решена за счетуменьшения продольной протяженности СИУ и смещения его положения в сторонувыхода из разрядного канала. Определено, что изменением величины и топологиимагнитного поля в разрядном канале СПД возможно оптимизировать положение,конфигурацию и протяженность СИУ. При этом экспериментально установлено, чтоэрозия стенок разрядной камеры (РК) СПД, главным образом определяющаяресурсные характеристики двигателя, начинается в области интенсивной ионизации,которая располагается в начальной части СИУ. Поэтому большой практическийинтерес представляют исследования зависимости геометрических характеристик зонэрозии стенок РК от параметров магнитного поля в ускорительном канале (УК)двигателя.

Ресурсные характеристики СПД определяет и эрозия катодовкомпенсаторов (К-К), входящих в его состав. Ресурсные характеристики катода иэффективность его работы, в большей степени зависят от его положенияотносительно анодного блока СПД и конструктивных особенностей самого СПД. Всвою очередь, одними из основных факторов, влияющих на выбор местоположениякатода-компенсатора, также являются величина и конфигурация магнитного поля вэтом месте.Таким образом, тематика данной работы, посвященной исследованию влияниявеличины и топологии магнитного поля на интегральные характеристики работы СПДи формулировке рекомендаций по определению оптимального магнитного поля,позволяющего обеспечивать требуемый уровень выходных и ресурсныххарактеристик двигателя, представляется актуальной.С учетом изложенного выше целями работы являются:− выявление возможностей повышения выходных и ресурсных характеристик СПДпутем оптимизации параметров и топологии магнитного поля как в разрядномканале, так и в периферийной зоне двигателя;3− разработка рекомендаций по проектированию магнитных систем (МС)перспективных СПД.Исследование магнитного поля СПД в данной работе осуществлялось методомматематического моделирования с применением компьютерной программы NISA,основанной на методе конечных элементов.Для достижения сформулированных выше целей необходимо было решитьследующие задачи:− провести анализ достоинств и недостатков существующих в настоящее времяконструкций и параметров МС СПД;− отработать и верифицировать методики расчета двумерных и трехмерныхрасчетных моделей МС с учетом насыщения;− выполнить анализ взаимосвязи геометрических характеристик зон эрозии стенокРК двигателей различных типоразмеров с величиной и топологией магнитного поля вразрядном канале этих двигателей и определить возможность прогнозагеометрических характеристик зоны эрозии по результатам расчета параметров итопологии магнитного поля, разработать соответствующие рекомендации поиспользованию;− провести экспериментальные исследования влияния магнитного поля в УК, атакже в области расположения катода на выходные и ресурсные характеристикиСПД;− разработать рекомендации по проектированию МС и расположению катодов вперспективных СПД.Научная новизна работы состоит в следующем:1.

определены и обоснованы возможные допущения при построении расчетныхмоделей МС СПД, позволяющие упростить моделирование и вычисления иминимизировать время расчета;2. определена количественная взаимосвязь между величиной и конфигурациеймагнитного поля, параметрами работы двигателя и протяженностью и положениемСИУ в разрядном канале СПД, определяющих границы зон эрозии стенок РК, аименно:− установлено, что границы зон эрозии на наружной и внутренней стенках РК состороны анода находятся на пересечении одной «граничной» силовой линиимагнитного поля со стенками независимо от типоразмера двигателя, напряженияразряда, формы магнитной линзы, величины индукции и материала РК;− положение этой «граничной» силовой линии обусловливается величинойk  Br max по срединной линии УК, где Br max - максимальная величина радиальноймагнитной индукции, а коэффициент k может быть определен по полученнойзависимости от удельного расхода рабочего тела в выходной зоне канала двигателя;− показано также, что в процессе длительной работы двигателя при постоянномудельном расходе границы зон эрозии остаются в первом приближениинеизменными, и эрозии будет подвержена область стенок РК от среза до указанныхграниц;43.

установлено, что источник ускоренного потока ионов, вызывающего эрозию К-Клокализован в области, примыкающей к наружному полюсу и наружной стенке РК,что может быть объяснено торообразной конфигурацией магнитных поверхностей исоответствующей конфигурацией эквипотенциалей электрического поля в названнойобласти;4. установлено наличие корреляции между индукцией магнитного поля в местерасположения катода и тяговыми характеристиками двигателя в случаепериферийного размещения катода. Показано, что величина индукции магнитногополя в месте расположения выходных отверстий катодов не должна превышать3 мТл;5. показано, что повышение тяговой эффективности и снижение скорости эрозиистенок РК в новой модификации двигателя СПД-100 достигнуто за счет оптимизациипараметров и топологии магнитного поля, приведшей к сокращению продольнойпротяженности зон эрозии, свидетельствующей о сокращении продольнойпротяженности СИУ и выдвижении его к выходу из ускорительного канала.Практическая значимость работы заключается в следующем:1.

отработана методика проведения двумерных и трехмерных расчетов величины итопологии магнитного поля СПД в ППП NISA, которая используется в настоящеевремя в ОКБ «Факел» на этапе проектирования перспективных СПД и принеобходимости модернизации уже существующих моделей двигателей с цельюулучшения их выходных и ресурсных характеристик;2. разработана методика прогнозирования геометрических характеристик зон эрозиистенок РК СПД по результатам расчетов магнитного поля в нем и параметров егорабочего режима, которая используется при проектировании новых двигателей;3. разработаны рекомендации по выбору схемы МС, параметров конструкции итоков в катушках намагничивания для различных двигателей ОКБ «Факел»,позволяющие обеспечить их высокие тяговые и ресурсные характеристики;4.

разработаны рекомендации по выбору оптимального местоположения К-К напериферии анодного блока СПД по результатам магнитных расчетов,обеспечивающего одновременно как высокие выходные параметры двигателя, так иснижение скорости эрозии поджигного электрода катода до 10 раз.Указанные методики и рекомендации внедрены в ОКБ «Факел» при разработкедвигателей в рамках ОКР «Двигателей ТМ», «Двина ТМ», НИОКР из прибыли ОКБ«Факел» и др.Основные положения, выносимые на защиту:− положение о возможности определения геометрических характеристик зон эрозиистенок РК по результатам расчетов параметров и топологии магнитного поля в УКСПД;− положение о возможности дальнейшего повышения тяговой эффективности,ресурса и снижения расходимости струи двигателя путем оптимизации параметров итопологии магнитного поля в УК СПД;5− положение о влиянии индукции и топологии магнитного поля в прикатоднойобласти на тяговые характеристики двигателя и ресурс К-К при его размещении напериферии анодного блока двигателя.Личный вклад автора заключался в следующем:− отработке методики проведения двумерных и трехмерных расчетов параметровмагнитного поля СПД при использовании ППП NISA;− разработке расчетных моделей МС двигателей различных типоразмеровпроизводства ОКБ «Факел» и проведении их верификации;− проведении анализа зависимости ресурсных характеристик СПД от параметров итопологии магнитного поля в УК и в области катода при его боковом расположении;− показе возможности повышения эффективности работы двигателя при доработкеконструктивной схемы его МС и оптимизации положения катода;− анализе результатов экспериментов и формулировании выводов на их основе;− участии в работах по модернизации конструкций двигателей типа СПД-100,СПД-140Д и др., разрабатываемых в настоящее время в ОКБ «Факел».Достоверность полученных результатов подтверждается путем сопоставленияс результатами, полученными экспериментально и результатами других авторов.Апробация работы и научные публикацииОсновные положения диссертационной работы докладывались и обсуждалисьна семинарах кафедры физики Балтийского федерального университета им.