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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ«ОПЫТНОЕ КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО «ФАКЕЛ»На правах рукописиМИТРОФАНОВА Ольга АлександровнаВлияние величины и топологии магнитного поля на интегральныехарактеристики стационарных плазменных двигателейСпециальность 05.07.05 − Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановкилетательных аппаратовДиссертациина соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководителькандидат физико-математических наукпрофессор Румянцев А.В.Калининград – 20151СОДЕРЖАНИЕВведение ..............................................................................................................................................4Глава 1. Выходные и ресурсные характеристики стационарных плазменных двигателей и ихзависимость от конструкции и параметров магнитных систем ...................................................121.1Анализ требований к выходным и ресурсным характеристикам современных ЭРД....

121.2Анализ зависимостей между выходными и ресурсными характеристиками СПД ипараметрами магнитной системы двигателя ................................................................................. 161.3Схемы, конструкции и параметры магнитных систем СПД ............................................ 241.4Основные направления и задачи диссертационной работы.............................................

33Глава 2. Отработка и верификация расчетных методик численного моделирования магнитногополя СПД...........................................................................................................................................342.1Анализ современных методик расчета магнитных систем СПД ..................................... 342.2Методика расчета магнитного поля СПД с применением ППП NISA ........................... 412.3Верификация расчетных моделей.......................................................................................

572.4Анализ оптимальности массовоэнергетических характеристик магнитных систем ..... 62Глава 3. Зависимость ресурсных характеристик СПД от параметров и конфигурациимагнитного поля. Исследования влияния магнитного поля на рабочие характеристики катодакомпенсатора и двигателя в целом .................................................................................................703.1Анализ результатов ресурсных испытаний и определение взаимосвязи междугеометрическими характеристиками зон эрозии РК и величиной и топологией магнитногополя в УК СПД ................................................................................................................................. 713.2Анализ влияния параметров магнитного поля на рабочие характеристики катода-компенсатора ....................................................................................................................................

793.3Описание исследуемых лабораторных моделей двигателей ........................................... 853.4Исследование по оптимизации положения катода-компенсатора на перифериианодного блока СПД ........................................................................................................................

893.4.1 Результаты исследования структуры ускоренного потока в зоне размещения катодакомпенсатора ................................................................................................................................ 8923.4.2 Результаты исследования скорости эрозии контрольных образцов в зонеразмещения катода-компенсатора .............................................................................................. 913.4.3 Оценка конфигурации магнитного поля в месте размещения катода-компенсатора.Исследования влияния материала поджигного электрода на работу катода-компенсатора 923.4.4 Исследование влияния величины магнитного поля в месте размещения катодакомпенсатора на эффективность его работы ...........................................................................

1003.4.5 Результаты ускоренных испытаний по оптимизации местоположениякатода-компенсатора .................................................................................................................. 1063.5Рекомендации по определению оптимального места размещения катода на перифериианодного блока СПД ......................................................................................................................

114Глава 4. Разработка экспериментальных лабораторных моделей СПД с повышеннымивыходными и ресурсными характеристиками .............................................................................1204.1 Разработка СПД с повышенными выходными и ресурсными характеристиками ............

1204.2 Экспериментальное оборудование и методики испытаний ................................................. 1244.3 Результаты испытаний по определению тяговых параметров разрабатываемого СПД ... 1294.4 Исследование расходимости струи разрабатываемого СПД ............................................... 1314.5 Исследование ресурсных характеристик разрабатываемого СПД ...................................... 1334.6 Рекомендации по проектированию магнитных систем СПД с требуемыми выходными иресурсными характеристиками ..................................................................................................... 136Заключение .....................................................................................................................................1363ВведениеВ настоящее время в составе космических летательных аппаратов (КА) широкоиспользуются электроракетные двигательные установки (ЭРДУ) на базе стационарныхплазменных двигателей (СПД).

СПД являются высокоэффективными и надежными изделиямикосмической техники и признаются в мире лучшими двигателями своего класса.Основная область их современного использования – коррекция орбиты КА. Планируетсяприменение СПД и для межорбитальной транспортировки, поддержания длительнойработоспособности КА на геостационарной орбите (ГСО) со сроками активного существования(САС) 12-15 лет, межпланетных перелетов и полетов в дальний космос. Расширение спектразадач, решаемых СПД, приводит к повышению требований к выходным и ресурснымхарактеристикам двигателей. Актуальной становится разработка новых двигателей с болеевысоким значением удельного импульса тяги (1000..3000 с и более) при обеспечении высокойэффективности работы, увеличенным огневым ресурсом (10000 часов и более) и пониженнойрасходимостью плазменной струи. Кроме того, для выполнения одной ЭРДУ с СПД несколькихзадач требуется и обеспечение многорежимности работы двигателей по мощности, тяге искорости истечения рабочего тела.Разработка СПД на данный момент осуществляется на основе многолетнего опыта сиспользованием только общих представлений о физических процессах в двигателе в связи с ихсложностьюинедостаточнойизученностью.Всесуществующиерасчетныемоделипозволяющие выбрать оптимальные конструктивные параметры и режимы работы СПД,являются полуэмпирическими или содержат большое количество подгоночных коэффициентов[1; 2; 3; 4; 5; 6; 7].Известно, что уровень выходных и ресурсных характеристик СПД обусловленэффективностью организации в нем основных рабочих процессов (ионизации и ускорения), взначительной степени, зависящей от параметров и топологии магнитного поля двигателя.Предполагается, что процессы ионизации и ускорения в СПД происходят в едином слоеионизации и ускорения (СИУ).

Принято считать, что проблема повышения основныххарактеристик двигателя может быть решена за счет уменьшения продольной протяженностиСИУ и смещения его положения в сторону выхода из разрядного канала.Ускорение ионного потока в СПД осуществляется «омическим» электрическим полем,определяемым приложенной разностью потенциалов и сопротивлением плазмы, зависящим восновном от подвижности электронов поперек магнитного поля. Согласно результатамэкспериментальных исследований, максимальное электрическое сопротивление плазмы исоответственно максимальное электрическое поле в ускорительном канале СПД реализуется вобласти максимальных значений магнитной индукции.

При этом в соответствии с одной из4ключевых идей основоположника СПД А.И. Морозова в силу того, что электроны могутотносительно свободно перемещаться вдоль силовых линий магнитного поля и в направлениидрейфа, в первом приближении, конфигурация эквипотенциалей электрического поля вразрядном канале близка к конфигурации силовых линий магнитного поля.

Поэтому считается,что необходимая фокусировка ионного потока СПД может быть достигнута подборомоптимальной близкой к симметричной относительно срединной поверхности ускорительногоканала «фокусирующей» конфигурации силовых линий с небольшим наклоном к оси двигателя.Таким образом, изменением величины и топологии магнитного поля в разрядном канале СПДможно оптимизировать положение, конфигурацию и протяженность СИУ.Также, показано, что параметры и конфигурация магнитного поля в ускорительномканале двигателя влияют на эффективность ионизации рабочего тела и положение в канале ядраионизации (зоны наиболее интенсивной ионизации).При этом экспериментально установлено, что эрозия стенок разрядной камеры СПД,главным образом определяющая ресурсные характеристики двигателя, начинается именно вобласти интенсивной ионизации, которая располагается в начальной части СИУ.