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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образования«Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)»На правах рукописиМогулкин Андрей ИгоревичМеханико-математическая модель деформаций профилированныхэлектродов ионных двигателейСпециальность 05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели иэнергоустановки летательных аппаратовДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководителькандидат технических наук,старший научный сотрудникВ.А. ОбуховМосква – 20152СОДЕРЖАНИЕ:Введение………………………………………………………………………………………..….……5Глава I. Проблемы создания ионно-оптических систем для перспективных ионныхдвигателей……………………………………………………………………………………..……..141.1. Роль развития технологии ионных двигателей в космической программе РоссийскойФедерации……………………………………………..………….……………………...……….141.1.1.

Место ИД в ряду других типов ЭРД и их конструктивные особенности………….151.1.2. Технический облик и основные рабочие характеристики ионных двигателей……161.1.2.1. Ионные двигатели с разрядом постоянного тока………………………………171.1.2.2. Ионные двигатели с высокочастотным (радиочастотным) разрядом………...201.1.2.3. Ионные двигатели со сверхвысокочастотным разрядом……………………...221.1.3. Тенденции развития электрических ракетных двигателей в будущем…………..…221.1.4.

Перспективы развития технологии ионных двигателей в Российской Федерации..251.2. Основные физические процессы в ИОС…………………..……………………...………..271.3. Проблемы конструирования ИОС……………………………………………….…………301.4. Постановка задачи исследования …………………………………………………..………30Выводы к главе I…………………………………………………………………………....…………32Глава II. Механико-математическая модель деформирования электродов ионнооптических систем……………………………………………………………….…………………..332.1. Обзор литературы по тепловому деформированию густо перфорированных круглыхпластин и пологих сферических оболочек как механико-математической модели электродовИОС…………………………………………………………………………………….………….332.2.

Основные дифференциальные уравнения задачи…………………………………………352.3. Граничные условия на контурах электродов………………………………………………422.4. Интегральные уравнения линейной задачи устойчивости электродов…………………..472.5. Нелинейные интегральные уравнения закритического поведения электродов…………552.6. Интегральные уравнения нелинейного изгиба профилированных электродов…………572.7. Расчет коэффициентов конструктивной ортотропии как модельных параметровдля густо перфорированных электродов ИОС……………………………………...………….612.8.

Алгоритм расчета термоустойчивости и нелинейного изгиба профилированныхэлектродов ИОС………………………………………………………………………………..…….6332.9. Численное моделирование процесса термоупругого деформирования неравномернонагретых сферических электродов ИОС ИД……………………………………………..…….66Выводы к главе II……………………………………………………………………………………..69Глава III. Численное моделирование изменения формы электродов и геометрическихпараметров ИОС при нагреве……………………………………………………………………..703.1. Численное моделирование изменения формы электродов при тепловом нагружении...703.2.

Изменение величины плотности ионного тока при изменении межэлектродногозазора………………………………………………………………………………………………793.3. Выбор оптимальных значений технологического прогиба электродов на основаниипроизведенных расчетов…………………………………………………………………...…….85Выводы к главе III……………………………………………………………………………….……92Глава IV.

Расчетное исследование изменения формы электродов с использованиемпрограммно-вычислительного комплекса ANSYS……………………………………………..944.1. Применение программного комплекса ANSYS для решения задач по расчетутемпературных полей и деформаций электродов……………………………….……………..944.2. Упрощенная геометрия электродов для задачи исследования…………………………...954.3. Создание сеточных моделей. Разбиение модели………………………………...………..964.4. Расчет и обоснование температурных полей расчетной модели…………………….…..974.5. Численное моделирование тепловых деформаций в программно-вычислительномкомплексе ANSYS и сравнение с результатами расчетов по термомеханическоймодели…………………………………………………………………………………………….984.5.1. Тепловые деформации ЭЭ и УЭ двигателя ВЧИД-16…………………………...…..984.5.2.

Тепловые деформации ЭЭ и УЭ двигателя ВЧИД-45М……………………………101Выводы к главе IV………………………………………………………………………….……….104Глава V. Верификация механико-математической модели с экспериментальнымиданными теплового деформирования электродов. Разработка лабораторных моделей ИОСВЧИД …………………………………………………………………………………………..……1055.1. Верификация механико-математической модели с экспериментальными данными потепловому деформированию УЭ двигателя RIT-22……………………………………….…1055.2. Верификация механико-математической модели с экспериментальными данными потепловому деформированию электродов с диаметром 300 мм……………………...………1075.2.1. Описание экспериментальной установки. Методика проведения измерений …..1075.2.2. Результаты испытаний ЭЭ30………………………………………………………..1105.2.3.

Результаты испытаний УЭ30………………………………………………………..1145.2.4. Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными …………11645.2.4.1. Моделирование ЭЭ30 и УЭ30………………………………………….…..….1165.2.4.2. Сетка поэлементного разбиения ЭЭ30 и УЭ30……………………….…..….1175.2.4.3. Температурные поля ЭЭ30 и УЭ30…...……………………………...….....….1185.2.4.4. Расчет дополнительных прогибов ЭЭ30 и УЭ30 при свободномзакреплении…………………………………………………………………..….…..….1185.2.4.5.

Расчет дополнительных прогибов ЭЭ30 и УЭ30 при условии жесткогозакрепления кольцевой части …………………………..……………..………...….….1205.2.4.6. Расчет дополнительных прогибов ЭЭ30 и УЭ30 при условии упругогозакрепления кольцевой части ……………………………..……………….…..……….1215.2.4.7. Сравнение результатов численного моделирования с экспериментальнымиданными деформирования электродов диаметра 300 мм……………………………..1225.3. Экспериментальное исследование термоустойчивости сферических электродовдиаметром 200 мм для двигателя ПИД-200. Верификация расчетного алгоритма и механикоматематической модели по экспериментальным данным………………………………........1245.4. Разработка конструкции моделей ВЧИД………………………….……………………...1295.4.1.

Высокочастотный ионный двигатель ВЧИД-8……………………………..………1295.4.2. Высокочастотный ионный двигатель ВЧИД-10…………………………...……….1315.4.3. Высокочастотный ионный двигатель ВЧИД-16……………………………………1335.4.4. Высокочастотный ионный двигатель ВЧИД-45………………………...………….1395.4.5. Высокочастотный ионный двигатель ВЧИД-45М…………………………...…….145Выводы к главе V…………………………………………………………………………..……….150Заключение…………………………………………………………………………………….……151Литература………………………………………………………………………………………..…1535ВведениеАктуальность темы исследованияНа современном этапе развития электроракетных двигателей (ЭРД) одними изперспективных и наиболее эффективных в освоении космического пространства являютсяионные двигатели (ИД) (управление ориентацией и положением на орбите, маршевыеоперации).

ИД за рубежом успешно эксплуатируются в космической технике, и область ихприменения расширяется. В Российской Федерации также начата разработка двигателей этогокласса. Применение ИД вследствие их высокого удельного импульса тяги и ресурса даетзначительный эффект по экономии массы рабочего тела как при решении маршевых задач, таки при использовании в системах коррекции орбиты космических аппаратов (КА). Этосправедливо как для малых КА, эксплуатируемых на околоземных орбитах, так и длягеостационарных КА и автоматических межпланетных КА.

С развитием космической ядернойэнергетики роль ИД будет возрастать [1, 25, 68, 82].В соответствии с общемировой тенденцией развития космической техники в проектеФедеральной космической программы до 2025 г., планируется разработка и производство ИДразличной мощности: малой (до 1 кВт), средней (2-6) кВт и большой (свыше 10 кВт).

Вуказанном диапазоне по мощности двигателя диаметр рабочей перфорированной частиэлектродов ионно-оптической системы (ИОС), которая формирует ионный пучок, имеетвеличину 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 мощности реализуется вИОС. Для надежной работы узла ИОС необходимо обеспечить стабильность зазора междуэмиссионным электродом (ЭЭ) и ускоряющим электродом (УЭ) на рабочих режимах в жесткихдопусках. Особенность работы электродов в составе ИОСсвязана с существеннонеравномерным нагревом и деформированием электродов, что может вызвать снижениехарактеристик двигателя (плотности ионного тока и тяги) и высоковольтный пробой.Необходимо принять во внимание, что электроды имеют разную толщину, могут бытьвыполнены из разного материала, а их нагрев характеризоваться различными температурнымипрофилями [10, 34, 36].

Одним из зарекомендовавших себя технических решений обеспечениястабильности работы узла ИОС является применение профилированных электродов сначальным технологическим прогибом. Неравномерный нагрев приводит к возникновениюдополнительных прогибов электродов. В связи с указанными проблемами важно на этапеконструирования уметь рассчитывать начальную форму электродов и их деформации принагревании до рабочих температур, при которых обеспечивается стабильная работа ИОС. Все6названное подчеркивает важность разработки механико-математической модели электродовИОС и проведение численного моделирования на основе разработанных методов расчетадеформированного состояния электродов в условиях реального теплового нагружения. Всесказанное определяет актуальность темы диссертации.Актуальность представляемой работы обусловлена:1. Необходимостью обеспечения стабильности характеристик ИД при неравномерном нагревеэлектродов.2.

Необходимостью выработки рекомендаций для проектирования электродов ИОС и узловИОС перспективных двигателей и реализации их в практических конструкциях ИД.Объект исследованияОбъектомисследованияявляютсятермомеханическиепроцессы,вызывающиедеформации электродов ИОС ИД при тепловом нагружении, температурные поля идеформации электродов узлов ИОС ИД при рабочих температурных нагрузках.Предмет исследованияПредметомисследованияявляетсячисленноемоделированиедеформацийпрофилированных электродов ИОС в условиях, приближенных к условиям их работы в ИД.Целью работы является разработка механико-математической модели деформированияпрофилированных электродов ИОС перспективных ИД при их тепловом нагружении ипрогнозирование деформированного состояния, проведение численного моделирования узловИОС ИД различной размерности.Основные задачи диссертации:В соответствии с целью работы ставятся и решаются следующие задачи:1.

Определение требований к узлам ИОС перспективных ИД различной размерности.2. Разработка математической модели деформаций профилированных электродов ИОС притепловом нагружении, характерном для работы в составе ИД.3. Разработка методики и алгоритма расчетного определения процесса деформированияэлектродов на основе использования аппарата матричных краевых интегральных уравнений,для проектирования различных вариантов электродов ИОС ИД.4. Проведение расчетно-теоретических исследований деформирования профилированныхэлектродов для различных перепадов температур и оценка влияния изменения величиныдополнительного прогиба на плотность извлекаемого ионного тока.5.

Проведение верификации механико-математической модели, методики и алгоритма сиспользованием экспериментальных данных и программно-вычислительного комплексаANSYS.76. Разработка рекомендации для конструирования электродов и узла ИОС ИД для рядаперспективных ИД, разрабатываемых в НИИ ПМЭ МАИ, ФГУП ОКБ «Факел» и КБ«Химавтоматики».7. Разработка конструкции узлов ИОС с электродами разных типоразмеров, обеспечивающихвыполнение требований к ним с учетом теплового нагружения при работе в составе ИД.Методы исследованияМетод исследования - расчетно-теоретический, включающий анализ деформацийэлектродов ИОС с учетом различных факторов воздействия на основе теории тонкостенныхоболочек при допущении о возможности использования гипотезы жесткой нормали всоответствии с гипотезами Кирхгофа-Лява.Сравнительный анализ расчетных данных по разработанной методике с результатамирасчетов, полученных с использованием программно-вычислительного комплекса численногомоделирования ANSYS и с известными из литературы экспериментальными данными.Научная новизна1.Разработанамеханико-математическаямодельдеформированияпрофилированныхэлектродов ИОС при тепловом нагружении, на базе которой предложена методика определениядеформаций профилированных электродов различной размерности при учете заданноготехнологического прогиба для широкого круга перспективных материалов.2.