Автореферат (Механико-математическая модель деформаций профилированных электродов ионных двигателей)

На правах рукописиМОГУЛКИН АНДРЕЙ ИГОРЕВИЧМЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЕФОРМАЦИЙПРОФИЛИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙСпециальность 05.07.05 – «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановкилетательных аппаратов»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2015Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего профессионального образования «Московский авиационныйинститут (национальный исследовательский университет)»Научный руководитель:кандидат технических наук, старший научныйсотрудникОбухов Владимир АлексеевичОфициальные оппоненты:Марахтанов Михаил Константиновичдоктор технических наук, профессор, ФГБОУВПО«Московскийгосударственныйтехнический университет им. Н.

Э. Баумана»,заведующий кафедрой Э-8 «Плазменныеэнергетические установки»Павлов Владимир Борисовичкандидат физико-математических наук, ФГБОУВПО«Московскийгосударственныйуниверситет имени М.В. Ломоносова», старшийнаучный сотрудник кафедры физическойэлектроникиВедущая организация:Акционерное общество «Красная Звезда»Защита состоится «14» декабря 2015 года в 15 часов 00 минут на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.08, созданного на базе «Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета)» поадресу: 125993, Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте «Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета)»,https://www.mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=61351Автореферат разослан «___»___________2015 года.Ученый секретарь диссертационного советаД 212.125.08доктор технических наук, профессорЗуев Юрий Владимирович2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияНа современном этапе развития электроракетных двигателей (ЭРД) одними изперспективных и наиболее эффективных в освоении космического пространстваявляются ионные двигатели (ИД) (управление ориентацией и положением на орбите,маршевые операции).

ИД за рубежом успешно эксплуатируются в космическойтехнике, и область их применения расширяется. В Российской Федерации также начатаразработка двигателей этого класса. Применение ИД вследствие их высокого удельногоимпульса тяги и ресурса дает значительный эффект по экономии массы рабочего телакак при решении маршевых задач, так и при использовании в системах коррекцииорбиты космических аппаратов (КА). Это справедливо как для малых КА,эксплуатируемых на околоземных орбитах, так и для геостационарных КА иавтоматических межпланетных КА. С развитием космической ядерной энергетики рольИД будет возрастать [1, 3, 6, 12].В соответствии с общемировой тенденцией развития космической техники впроекте Федеральной космической программы до 2025 г. планируется разработка ипроизводство ИД различной мощности: малой (до 1 кВт), средней (2-6) кВт и большой(свыше 10 кВт).

В указанном диапазоне по мощности двигателя диаметр рабочейперфорированной части электродов ионно-оптической системы (ИОС), котораяформирует ионный пучок, имеет величину от менее 100 мм до более 500 мм.Узел ИОС ИД является наиболее ответственным и сложным в конструктивном итехнологическом отношении. Более 95% подведенной к двигателю мощностиреализуется в ИОС. Для надежной работы узла ИОС необходимо обеспечитьстабильность зазора между эмиссионным электродом (ЭЭ) и ускоряющим электродом(УЭ) на рабочих режимах в жестких допусках.

Особенность работы электродов всоставе ИОС связана с существенно неравномерным нагревом и деформированиемэлектродов, что может вызвать снижение характеристик двигателя (плотности ионноготока и тяги) и высоковольтный пробой. Необходимо принять во внимание, чтоэлектроды имеют разную толщину, могут быть выполнены из разного материала, а ихнагрев может характеризоваться различными температурными профилями [2, 8, 9].Одним из зарекомендовавших себя технических решений обеспечения стабильностиработы узла ИОС является применение профилированных электродов с начальнымпрогибом (высота сегмента сферы электрода, заданная на чертеже).

Неравномерныйнагрев приводит к возникновению дополнительных прогибов электродов (подъем3сферического сегмента электрода). В связи с указанными проблемами важно на этапеконструирования уметь рассчитывать начальную форму электродов и их деформациипри нагревании до рабочих температур, при которых обеспечивается стабильная работаИОС. Все названное подчеркивает важность разработки механико-математическоймодели электродов ИОС и проведение численного моделирования на основеразработанных методов расчета деформированного состояния электродов в условияхреального теплового нагружения.

Все сказанное определяет актуальность темыдиссертации.Актуальность представляемой работы обусловлена:1.НеобходимостьюобеспечениястабильностихарактеристикИДпринеравномерном нагреве электродов.2. Необходимостью выработки рекомендаций для проектирования электродовИОС и узлов ИОС перспективных двигателей и реализации их в практическихконструкциях ИД.Объект исследованияОбъектом исследования являются термомеханические процессы, вызывающиедеформации электродов ИОС ИД при тепловом нагружении, температурные поля идеформации электродов узлов ИОС ИД при рабочих температурных нагрузках.Предмет исследованияПредметомисследованияявляетсячисленноемоделированиеупругихдеформаций профилированных электродов ИОС в условиях, приближенных к условиямих эксплуатации в составе ИД.Цельюработыявляетсяразработкамеханико-математическоймоделидеформирования профилированных электродов ИОС перспективных ИД при ихтепловом нагружении в сочетании с прогнозированием деформированного состоянияна основе численного моделирования узлов ИОС ИД различной размерности.Основные задачи диссертации:В соответствии с целью работы ставятся и решаются следующие задачи:1.

Определение требований к узлам ИОС перспективных ИД различнойразмерности.2.Разработкаматематическоймоделипроцессадеформированияпрофилированных электродов ИОС при тепловом нагружении, характерном для ихработы в составе ИД.43. Разработка методики и алгоритма расчетного обоснования процессадеформирования электродов ИОС на основе использования аппарата матричныхкраевых интегральных уравнений, адаптированных на проектирование различныхвариантов электродов ИОС ИД.4.Проведениерасчетно-теоретическихисследованийдеформированияпрофилированных электродов для различных перепадов температур по радиусу соценкой влияния изменения величины дополнительного прогиба на плотностьизвлекаемого ионного тока.5. Проведение верификации механико-математической модели ИОС, а такжеметодики и алгоритма расчета с использованием экспериментальных данных ипрограммно-вычислительного комплекса ANSYS.6.

Разработка рекомендаций для конструирования электродов и узла ИОС ИД дляряда перспективных ИД, разрабатываемых в НИИ ПМЭ МАИ, ФГУП ОКБ «Факел» иКБ «Химавтоматики».7. Разработка конструкции узлов ИОС с электродами разных типоразмеров,обеспечивающих выполнение требований к ним с учетом теплового нагружения приработе в составе ИД.Методы исследованияМетод исследования - расчетно-теоретический, включающий анализ деформацийэлектродов ИОС с учетом различных факторов воздействия на основе теориитонкостенных упругих оболочек при допущении о возможности использованиягипотезы жесткой нормали в соответствии с гипотезами Кирхгофа-Лява.Сравнительный анализ расчетных данных по разработанной методике срезультатами расчетов, полученных с использованием программно-вычислительногокомплекса численного моделирования ANSYS и с известными из литературыэкспериментальными данными.Научная новизна1.Разработанамеханико-математическаямодельдеформированияпрофилированных электродов ИОС при тепловом нагружении, на базе которойпредложенаметодикаопределениядеформацийпрофилированныхэлектродовразличной размерности при учете заданного начального прогиба для широкого кругаперспективных материалов.2.

Предложен упрощенный алгоритм расчета безразмерного дополнительногопрогибаэлектродовИОС,основанный5наитерационномпроцессерешенияинтегральных уравнений в аналитическом виде, позволяющий производить расчеты,обеспечивающие оценку необходимого начального и дополнительного прогибов вцентре электродов при разработке конструкции узлов ИОС ИД различной размерности,представленных в виде густо перфорированных сегментов сферы.3.

Получены данные по зависимости деформации электродов ИОС ИД, имеющихрабочую часть в виде сегментов сферы, от исходной формы (начального прогиба) прихарактерном распределении температуры и свойств материала электродов.Практическая значимость результатов работы1. Разработана механико-математическая модель и методика расчета деформацийпрофилированных густо перфорированных электродов ИОС ИД, позволяющаярассчитать дополнительный прогиб электродов при их тепловом нагружении иопределить начальный прогиб, при котором дополнительный прогиб находится взаданных пределах.2.

Проведено моделирование деформированного состояния ряда разработанных иразрабатываемых в настоящее время узлов ИОС ИД на основе разработанныхрекомендаций.3.Порезультатамвыработанныхрешенийразработанрядмоделейвысокочастотных ионных двигателей (ВЧИД) разного типоразмера, предназначенныхдля решения транспортных задач в околоземном и дальнем космосе.4. Разработана конструкторская документация на узлы ИОС ВЧИД разноймощности.Достоверность полученных результатовДостоверность полученных результатов, научных положений и выводов,содержащихсявдиссертации,обуславливаетсякорректнымиспользованиемматематического аппарата интегральных и интегро-дифференциальных уравнений,обоснованным выбором граничных условий задачи, совпадением полученныхрезультатов с данными численного моделирования по программно-вычислительномукомплексу ANSYS, а также с экспериментальными данными.Реализация и внедрение результатов работыРезультаты работы использованы при выполнении научно-исследовательскихработ(НИР)«Исследованиявысокочастотныхиразработкаплазмодинамическихкосмическихэлектроракетныхвысокоимпульсныхионныхдвигателей»,«Исследование характеристик и оптимизация конструкции модели ХД для работы нарежиме с мощностью до 4 – 5 кВт и удельным импульсом тяги не менее 4000 с.6Разработка и исследование характеристик ВЧИД большой мощности, оптимизацияконструкции основных узлов и системы электропитания ВЧ разряда», опытноконструкторской работы (ОКР) «Разработка материалов технического предложения пообоснованию выбора электроплазменного двигателя с базовой мощностью 50…70кВт», НИОКР «Проведение расчетов конструктивных и эксплуатационных параметровВЧИД и его элементов.