Отзыв оппонента 1 (Влияние величины и топологии магнитного поля на интегральные характеристики стационарных плазменных двигателей (СПД))

Официального Оппонента на диссертацию Митрофановой Ольги Александровны ФГУП Опытное конструкторское бюро "Факел" "Влияние величины н тонологин магнитного поли на интегральные характеристики стационарных плазменных двигателей (СПД)", представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук 0о специальности 05.07.05 "Тепловые, электроракетные двигатели и энергетические установки летательных аппаратов". Стационарные плазменные двигатели СЩ с удельным импульсом 1700 с„разработанные в СССР и в России, находят самое широкое применение для коррекции и стабилизации долгоживущих искусственных спутников ИС на геостационарной орбите Земли, В настоящее время появились новые проекты, создание ИС с ресурсом работы свыше 10лет, создание двигателей для полетов на другие планеты.

Для реализации этих проектов требуется создание СПД с более высоким удельным импульсом более ЗОООс., ресурсом не менее 10000 ч. с более высоким полным кпд не менее 50%, уменьшением расходимости ионного потока, возможность обеспечения многорежимного работы двигателя по мощности, по тяге и величины удельного импульса. Поэтому тема диссертации, направленнал на создание именно таких СПД, является актуальной для реализации этих проектов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Во введении автор диссертации обосновано делает вьпюд, что ~ущ~ствующе~ ~~~~~~~~~ резул~т~то~ исследований фи~ических процессов определяющих работу СПД не позволяет проводить расчеты характеристик СПД и, следовательно, не дает возможность оптимизировать параметры двигателя.

Поэтому основное внимание автор уделяет изложению результатов экспериментальных исследований, которые влияют на формирование электрического поля, зоны ионизации, фокусировку ионов и на ресурс работы двигателя, Вывод о том, что конфигурация магнитного поля определяет зги характеристики не вызывает сомнения. Следовательно, цель работы на повышение выходных и ресурсных характеристик СПД посредспюм оптимизации величины и топологии магнитного поля в разрядной камере и за срезом двигателя в настоящее время является единственно правильным решением.

Для выполнения этих рекомендаций были сформулированы направления работы, отмечена научная новизна работы. Во второй главе представлен анализ параметров, существующих и разрабатываемых ЭРД для космических аппаратов КА, в зависимости от выполняемых ими задач н приведен анализ требований, который предъявляются к выходным ресурсным характеристикам ЭРД.

Делается вывод, какие направления являются перспективными, Для выполнения этих задач обосновывается вывод - необходимость увеличения ресурса непрерывной работы двигателя, возможность менять режим работы двигателя для реализации нескольких задач, уменыпить расходимость плазменной струи для устранения распыления поверхности КА. Для улучшения характеристик двигателей проведено исследование влияния параметров магнитной системы на выходные и ресурсные характеристики СПД.

Поскольку в настоящее время отсутствует модель формирования электрическог~ поля в Канале СПД, автор совершенно правильно использовал эмпирические зависимости, описывающее формирование электрического поля в зависимости от конфигурации магнитного поля, теоретические представления связи конфигурации магнитных силОВых линий с экВипотенциалями электрического пОля и формирование потока ионов в канале и за срезом двигателя. Автор диссертации детально проанализировал возможные способы увеличения ресурса работы катода — компенсатора.

В параграфе 1.3 описаны схемы и параметры магнитных систем СПД. Этн знания важны для проведения работ по оптимизации параметров магнитных систем двигателей. В параграфе 1.4 сформулированы задачи диссертационной работы. Отработать методики расчдта двумерных и трехмерных расчетных моделей магнитных систем. Провести исследования между параметрами и топологией магнитного поля в канале РК и геометрическими характеристиками зон эрозии„ Выработать рекомендации для прогноза геометрических характеристик зон эрозии по результатам расчета магнитного поля. Исследовать влияния магнитного поля в канале СПД на выходные характеристики двигателя. Провести экспериментальные исследования по определению влияния параметров и топологии магнитного поля выходной зоны на характеристики катода — ком пенсатора. Выработать рекомендации по оптимальному размещению катода— компенсатора для обеспечения требуемых выходных и ресурсных характеристик двигателя.

Во второй главе представлен анализ современных методик расчета магнитных систем СПД. Сформулированы требования к МС, исходя из результатов экспериментальных исследований влияния конфигурации магнитного поля на характеристики двигателя и теоретических представлений, что силовая линия магнитного поля определяет конфигурацию эквипотенциалей электрического поля. Эго позволило рассчитывать поля„которые обеспечивают фокусировку ионного потока в канале двигателя. В этой главе подробно изложена методика расчета магнитного поля СПД с помощью программы Х1ЯА. С целью упрощения моделирования и минимизации времени расчета была рассмотрены некоторые допущения— задание условий симметрии, замена свойств материала МС, имеющую нелинейную зависимость В ~Н), создание осесимметричного эквивалента МС.

В разделе 2.3 подробно изложена технология определения соответствия результатов расчета топологии силовых линий с полученной топологией в изготовленной модели двигателя, Было показано, что разница между расчетными значениями магнитной индукции и измеренными экспериментально составляет приблизительно 3-6 ',4. Конфигурации силовых линий магнитного поля в УК СПД, полученные при расчетах, практически идентичны, полученным экспериментальным путем. В разделе 2.4 содержится анализ массоэнергетических характеристик магнитных систем. Этот анализ представляет интерес, поскольку позволяет оптимизировать вес МС и энергетические затраты для обеспечения необходимой величины и конфигурации магнитного поля в рабочем зазоре. Ос~о~ной вывод, который был получен, для обеспечения оптимальност~ массовоэнергетических характеристик МС СПД является отсутствие в МС участков магнитного насыщения.

Было показано, что критичными с точки зрения магнитного насыщения являются: сердечники катушек намагничивания, основание магнитопровода в области расположения наружных катушек намагничивания и магнитные экраны. Следовательно, элементы МС должны быть выбраны с некоторым запасом по индукции насыщения материала, чтобы обеспечить работу СПД в случае повышения температуры изделия при нагреве в процессе работы, Вместе с тем было отмечено, что в ненасыщенном состоянии в магнитных экранах МЭ наблюдаются потери ампервитков МДС.

Однако было установлено, что магнитные экраны, позволяют создать оптимальную конфигурацию магнитного поля, что повышает ресурс работы и тяговые характеристики двигателя. Рассматриваются другие варианты уменьшения массы МС- изменение конструкции магнитопровода, выбор количества катушек намагничивания. Подробный анализ возможности уменыиения массоэнергетических характеристик магнитных систем дает возможность использовать этот анализ при создании новых моделей двигателей с улучшенными характеристиками. В главе 3 автор диссертации рассматривает 1) зависимость ресурсных характеристик СПД от параметров и конфигурации магнитного поля, 2) результаты исследования влияния магнитного поля на рабочие характеристики катода-компенсатора и двигателя в целом.

Этот анализ основывается на рассмотрение структуры и расположения слоя ионизацни и ускорения СИУ. Расположение слоя локализуется в области максимального значения радиальной индукции, Положение границы зоны эрозии связан с расположением СИУ. Анализ взаимосвязи между параметрами магнитного поля и характером эрозии был получен из результатов ресурсных испытаний двигателей СПД, проведенных в ОКБ "Факел". Было показано, что зоны эрозии на внутренней и наружной стенках канала находятся на пересечении со стенками канала одной силовой линии магнитного поля, проходящей через величину к и 8 по срединной линии УК, численные значения коэффициента к для каждого случая различны. Ранее было показано, что на положение СИУ могут оказывать влияние как величина магнитной индукции в канале РК, так и режим работы двигателя, в частности, величина тока разряда, величина расхода.

Для оценки длины СИУ автор использовал соотношение длины слоя ускорения, полученное Жариновым А.В. для двигателя с анодным слоем. Длина этого слоя зависит от плотности нейтралов ~расхода газа) в канале двигателя, Для подтверждения этой идеи автор диссертации провел анализ результатов исследований границы эрозии для нескольких моделей СПД, Было показано, что коэффициент /с зависит от расхода газа и меняется в пределах от 0.4 до 0.9, т,е.

граница эрозии с уменьшением расхода увеличивается в направлении расположения анода. Чтобы подтвердить связь между топологией магнитного поля и формой профилей эрозии были проведены сопоставления профиля эрозии с профилем магнитного поля, полученным численно для СПД 100. Автор подтвердил вывод: 1) границы зон эрозии на наружной и внутренней стенках РК со стороны анода находятся на пересечении одной «граничной» силовой линии магнитного поля со стенками независимо от типоразмера двигателя, напряжения разряда, формы магнитной линзы, величины индукции.

Эта «граничная» силовая линия определяется величиной к х 8 по срединной линии УК, где коэффициент Й может принимать различные значения, а также зависит от удельного расхода РТ в выходной зоне канала двигателя. 2) Увеличение длительности работы СПД смещает глубину зоны эрозии к аноду, 3) Предельные профили эрозии стенок канала близки к силовым линиям. Автор делает обоснованный вывод, что можно прогнозировать положение зон эрозии по результатам магнитных расчетов еще на этапе проектирования и анализировать влияние различных конструктивных изменений МС и канала двигателя на эрозионные характеристики.