Автореферат (Моделирование теплофизических процессов в высокочастотном ионном двигателе)

Ha npaoax pyKolr{criKPYUIOB KIIPIIJIJI IITOPEBITqMOAEJftTPOBAHTTE TEIIJIOOT{3II[rECKI,IX IPOTIECCOB BBbICOKOqACTOTHOM I,IOHHOM ABIITATEJIEoctr 05.07.05-<<Teuroshre, gJreKTpoparerHbre ABr.rfarenr{JreTaTeJrEHhrxafl[apaToB>ABTOPEOEPATAr,rcceprarlr{I{ Ha cov cKaHI{e yr€nofi crerreHltKarrA[AaTa TexHrFrecKr,rx HayKMocrna-2017r,rgueprcycraHoBKr4B (beAepanbHoM rocyAapcTBeHHoM 6roAXerHoM O6p€r3OBaTeJrLHOMBblcl]Jero o'pa3oBai,j'vfl (MocKoBcKr.rfi aBr4arlproHHbrft vr1crn"ryrblnoJrHeHa14ccJreAoBaTeJrbcKafi yHr{BepcHreT))pyKoBOALITenb:AOKTOp TeXHr4qeCKUX HayK.

npOdeCCOp, aKaAeMlrK@PAHKaHA?UaT TeXHr4qeCKI4X HayKA6rapan Bapran Kap.nenonr.rvHhIeonfloHeuT;r: MarpoQanona OrbraBnrcroponna,4oKrop rexHrlqecKvx HayK, npo$eccop, @I-Aov Bo(HaqfioHarbubri r4ccneAoBarenbcKr{[ rAepHbrftyHr4Bepcr,rrer (M}I(DII), crapttuit uayvulrft corpyAnr.{KraQe1pu <Teulo$usura>Euuraes Anapefi Muxafi.nonnqKaep'v4ar rexHr,rqecKrix HayK, Aor{eHT,<<MocxoscKuft texsoloruqecrufiOfEOyBOynaBepcr4Ter)),crapnlrft uayuuufi corpyAnr4K raQegpu (fnsuxu(De4epa.,rruoerocyAapcTBeHHoe6rcAxeruoeyqpexAenr.re <Haqaonalrurrfi accle4onarelrcrufiqeurp <Kypvaroscr[fiCs 15qacoB Ha 3acepla+vr4coBera 1212.125.08, co3AaHuoro Ha 6ase OfEOy BO <MocroecKlticocror4rcrAuccepflaBrraqlol?5qq1L1Hc"rr4'ryr>><<22>>4exa6pa 2017 roAaoHHofoI4HcrHTyr (uaqzonalrnuft uccle4onarenbcKr,rfi ynraaepcrarer)> no aApecy:ocrra, A-80, fcn-3, Boloxolarracroe urocce, 4.

4.e[ voxno o3HaroMr4T6cq sAi,I(MocKpKLILIyH14Bepc),6u6rzorere r.r Ha cafire <DfEOY BOaBuaquoHHbrfi EHCTLITyT (uaqvoualrurriuccle4osaremcKr.rfthttps ://mai. ru/upload/iblock/82 5/Dissertatsiya-Kruglov.pdfpaT pa3ocnaH())2017 rota.KperapbHHofo coBeran212.125.08ecxrix HayK, npoQeccop3yeelOpui Bla4nuuponz.rОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияЭлектроракетные двигательные установки (ЭРДУ) широко применяются для решения задачкоррекции положения околоземных КА (космических аппаратов). Наиболее широко ЭРДУиспользуются в составе геостационарных КА и низкоорбитальных КА дистанционногозондирования Земли.

В последние годы ЭРДУ начали использовать в маневрах по довыведениюгеостационарных КА в точку стояния, включая длительные переходы с геосинхронной орбиты нагеостационарную орбиту. Разнообразие народно-хозяйственных и специальных задач требуетразработки КА различного назначения в широком диапазоне масс и энерговооруженности.Соответственно, для решения задач по их созданию необходима широкая номенклатура ЭРДУ,отличающихся по принципу действия, величинам мощности, тяги и удельного импульса тяги.Тенденции развития космической техники требуют разработки и применения эффективныхдвигателей для обеспечения длительных сроков активного существования КА. Эти требованияопределяют перспективы применения ионных двигателей (ИД), обладающих по сравнению сшироко используемыми в России и за рубежом стационарными плазменными двигателями (СПД)более высоким удельным импульсом тяги и ресурсом, определяя тем самым важность развитиятехнологии ИД в Российской Федерации.В настоящее время в России начата разработка двух типов ИД: ионных двигателей сразрядом постоянного тока (ИДПТ) (Ion Thrusters Development for a Transport and Power GenerationModule Project / A.S.

Lovtsov [et al.] // IEPC–2015–291, Proceedings of the 34th IEPC. Hyogo–Kobe.Japan. 2015. 12 p.) и высокочастотных ионных двигателей (ВЧИД). Эти две конкурирующиетехнологии к настоящему времени за рубежом достигли примерно одинакового уровня.

Сравнениехарактеристик лучших зарубежных ИДПТ: NEXT, XIPS-25 и Т6 с характеристиками таких ВЧИД,как: RIT-10, RIT-15 иRIT-22 показывает их близость. Следует отметить, что по объемуприменений ИДПТ, составляющие в течение длительного времени основу технологии ИД в СШАи ряде других стран, намного опережают ВЧИД.Работы по разработке и исследованию ВЧИД различной размерности начались в НИИ ПМЭМАИ с 2010 года под руководством ведущего ученого профессора Х. Лёба, являющегося авторомсхемы ВЧИД, в рамках Мегагранта (первая волна). Сейчас ведутся работы по созданию ВЧИД сдиапазоном мощности от 10 Вт до 20 кВт при индустриальном партнерстве АО КБХА, ФГУП ОКБ«Факел» и при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.Интерес к развитию технологии ВЧИД обусловлен рядом потенциальных технологическихи эксплуатационных преимуществ перед ИДПТ:1) Ионизация рабочего тела во ВЧИД осуществляется в ВЧ-разряде индукционного типа.Поэтому внутри газоразрядной камеры (ГРК) нет электродов, в том числе катода для испускания3электронов, который является наиболее критическим элементом конструкции ИДПТ.

Катодтребует длительной отработки в связи с необходимостью подтверждения большого ресурса.2) Отсутствует необходимость в создании внешнего магнитного поля, что ведет купрощению конструкции двигателя и системы его электропитания.3) Не требуется высокая очистка рабочего газа (ксенона), так как ВЧ-разряд нечувствителен к наличию примесей кислорода и других химически активных газов.Одним из проблемных научно-технических вопросов создания ВЧИД является разработкатепловой схемы двигателя в соответствии с требованиями надежного функционирования ВЧИД иего интегрирования с системами КА.

Сложность проблемы заключается в необходимостисоздания надежных расчетных моделей различных по своей природе теплофизических процессовво ВЧИД:плазменных, обусловленныхионизациейрабочеготела всамостоятельноминдукционном разряде с учетом особенностей тепловыделения при взаимодействии плазмы сэлементамиконструкции,и,собственно,тепловыхсучетомразнородногохарактераиспользуемых в конструкции ВЧИД материалов.Положительный результат в решении указанных проблем может быть достигнут на основеэкспериментально-расчетного исследования, включающего разработку моделей тепловыделения вэлементах конструкции ВЧИД, взаимодействующих с плазмой, и обобщенной моделитеплофизических процессов в конструкциях ВЧИД различной размерности, а также разработкуметодик экспериментального определения температурных распределений в образцах ВЧИД.По результатам расчетных и экспериментальных исследований должны быть полученыраспределения температур в разрабатываемых ВЧИД, на основе которых выполняются расчетытермических деформаций критических элементов конструкции.

Кроме того, полученные значениятемператур элементов конструкции ВЧИД позволят сделать выбор того или иного материала дляизготовления узлов конструкции ВЧИД и определить предельные режимы работы двигателя подостижению критических значений температуры. На основе расчетов могут быть полученыисходные данные для производителей КА для интеграции ВЧИД различной размерности втепловую схему КА.С учетом вышеизложенного актуальной и востребованной задачей является еще на этапепроектирования двигателей разработка расчетной тепловой модели ВЧИД. Разработка методикиэкспериментального измерения температур во ВЧИД важна при проведении исследовательских,доводочных и последующих испытаний ВЧИД.Диссертационная работа посвящена разработке модели тепловых процессов во ВЧИД,проведению численных и экспериментальных исследований распределения температур в образцахВЧИД различной размерности.

Выбор направления исследования основан на недостаточнойизученности тепловых процессов, протекающих во ВЧИД, и значительном влиянии нагреваэлементов конструкции ВЧИД на технические характеристики двигателей.4Объектом исследования являются тепловые процессы в высокочастотном ионномдвигателе.Целью работы является разработка модели тепловых процессов в ВЧИД.Основные задачи диссертации - для достижения поставленной цели в диссертацииставятся и решаются следующие задачи:1.

Произвести оценку состояния разработки ВЧИД, анализ режимов работы ВЧИД иинтегральных характеристик в зависимости от размерности.2. Произвести анализ тепловых процессов в ВЧИД.3. Разработать модель тепловых процессов в ГРК с учетом тепловыделения в элементахконструкции ВЧИД при взаимодействии с ВЧ электромагнитном полем.4. Выполнить расчетное исследование ВЧИД различной размерности с вариацией применяемыхматериалов и режимов работы.5.

Разработать методику экспериментального исследования температурных распределений вконструкциях ВЧИД.6. Исследовать температурные распределения в конструкциях ВЧИД разработки НИИ ПМЭ МАИи провести сравнение экспериментальных и расчетных температур.Основные положения, выносимые на защиту:1. Физико-математическая модель плазменных процессов в ГРК ВЧИД.2. Тепловая модель ВЧИД, допускающая последовательное ее усложнение путем повышенияуровня детализации расчетной модели конструкции двигателя.3. Результаты расчетного теплового моделирования ВЧИД различной размерности.4. Методикаэкспериментальногоопределениярадиационныхпараметровматериалов,необходимых для численного расчета температурных распределений в элементах конструкцииВЧИД различных мощностей.5.

Методика экспериментального измерения температурных распределений во внешних элементахконструкции ВЧИД с использованием тепловизора.6. Результаты экспериментального исследования температурных распределений в двигателемалой мощности ВЧИД ММ и лабораторном образце двигателя ВЧИД-16 средней мощности.7.