Автореферат (Моделирование теплофизических процессов в высокочастотном ионном двигателе), страница 2

Рекомендации по использованию материалов и возможному применению специальныхпокрытий для снижения температуры в критических элементах конструкции ВЧИД на заданныхрежимах работы.5Методы исследованияВ работе применены экспериментальные и расчетные методы исследования. Измерениятемператур проводились с помощью тепловизора и термопар. Численные расчеты быливыполнены с помощью программного комплекса ANSYS.Научная новизна работы:1.

Создана балансовая модель плазмофизических процессов, обусловленных ионизацией атомоврабочего газа в самостоятельном индукционном разряде и включающих взаимодействие частиционов, электронов и фотонов - с поверхностями элементов конструкции ВЧИД.2. Разработана тепловая модель, определяющая связь тепловых потоков на поверхности ГРК,эмиссионного (ЭЭ) и ускоряющего (УЭ) электродов ионно-оптической системы (ИОС) синтегральными характеристиками ВЧИД, с большой точностью измеряемыми в эксперименте.Показано, что в качестве определяющего параметра теплового состояния во ВЧИД и значенийтепловых потоков удобно использовать ток ионного пучка, близкий по значению току вэлектрической цепи ЭЭ.3.

Разработанная тепловая расчетная модель ВЧИД допускает последовательное ее усложнениепутем повышения уровня детализации объекта с конечной целью максимального приближениякомпьютерного объекта к разработанной графической модели, а при создании лабораторноймодели - и к реальному объекту.4. Проведено расчетное тепловое исследование двигателя ВЧИД ММ размерности 8 сммощностью до 300 Вт, двигателя ВЧИД-16 размерности 16 см мощностью до 3 кВт, а такжепроектируемого двигателя ВЧИД- 49 М размерности 49 см и мощностью 15…20 кВт.5.

Разработана методика экспериментального измерения температурных полей во внешнихэлементах конструкции ВЧИД.6. Проведены измерения температур и выполнены численные расчеты полей температур впроектируемых конструкциях ВЧИД различных мощностей. Получено удовлетворительноесогласие расчетных и экспериментальных распределений температур.Практическая значимость результатов работы:1. Разработана расчетная тепловая модель ВЧИД.2. Разработаны методики измерения температур во ВЧИД, включая методику измерениярадиационных параметров исследуемых материалов, необходимых как для измерения температурс помощью тепловизора, так и для выполнения численных расчетов.3.

Проведен анализ влияния материалов на температуру в критических элементах ВЧИД.4. Разработаны рекомендации по применению материалов (в том числе перспективных) дляиспользования в последующих разработках ВЧИД.65. Выполнены расчеты распределений температур во ВЧИД, в том числе и в критических узлах, аименно в электродах ИОС. Полученные профили по радиусу температур электродов былииспользованы в качестве исходных данных в термомеханических расчетах деформацииэлектродов ионно-оптических систем двигателей ВЧИД ММ, ВЧИД-16 и ВЧИД-49 М.6. Определены предельные режимы работы моделей двигателей ВЧИД-16 и ВЧИД-49 М подостижению критических температур электродов ионно-оптической системы.Достоверность полученных результатовДостоверность результатов проведенных исследований обуславливается использованиемизвестных физических моделей плазменных процессов, определяющих тепловые потоки наэлементы конструкции ВЧИД, значительной детализацией тепловых моделей ВЧИД различнойразмерности,использованиемсертифицированногопрограммногокомплексаANSYS,проведением необходимого объема предварительных измерений по определению степени чернотыи индикатрисы теплового излучения дляэлементов конструкции ВЧИД, применениематтестованной измерительной аппаратуры: тепловизора и вспомогательных элементов дляизмерений температур в условиях вакуумного стенда, хорошей сходимостью расчетных иэкспериментальных результатов.Личный вклад соискателяСоискателем был выполнен весь комплекс экспериментальных работ по измерениютемператур в двигателях ВЧИД ММ и ВЧИД-16.

Соискатель построил расчетные моделидвигателей ВЧИД ММ, ВЧИД-16 и ВЧИД-49М, разрабатываемых в НИИ ПМЭ МАИ. Принималнепосредственное участие в разработке методики расчета тепловых потоков во ВЧИД. Всекомпьютерные расчеты температур в тепловых моделях указанных ВЧИД были также выполненысоискателем.Реализация и внедрение результатов работыРезультаты работы использованы при проведении научно-исследовательских и опытноконструкторских работ (НИОКР) по созданию ВЧИД ММ, при разработке тепловой модели ипроведении экспериментальных исследований лабораторного образца ВЧИД-16 по опытноконструкторской работе (ОКР) «ЭРДНП». В настоящее время на стадии проектирования ВЧИДмощностью 15-20 кВт методика тепловых расчетов проходит апробацию в рамках ОКР «ВЧИД».Апробация результатовОсновные результаты работы опубликованы в двух научных статьях в рецензируемыхизданиях, обсуждались на семинарах НИИ ПМЭ МАИ, а так же докладывались на российских имеждународных конференциях: 1) 12-я Международная конференция «Авиация и космонавтика72013» (Москва, Россия, 12 – 15 ноября 2013 года); 2) 6 International Workshop and Summer Schoolon Plasma Physics (Kiten, Bulgaria, 30 June – 6 July, 2014); 3) 5 Russian – German Conference onElectric Propulsion and their Application (Dresden, Germany, September, 7 – 12, 2014); 4) 13-яМеждународная конференция «Авиация и космонавтика — 2014» (Москва, Россия, 17 – 21 ноября2014 года); 5) 10-я Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях(NPNJ’2014) (Алушта, Крым, 25 – 31 мая 2014 года);6) 19-я Международная конференция повычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС’2015)(Алушта, Крым, Российская Федерация, 24 – 31 мая 2015 года); 7) 22-я Международнаяконференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» ВИП-2015 (Москва, РоссийскаяФедерация, 20 – 24 августа 2015 года); 8) 34 International Electric Propulsion Conference, (HyogoKobe, Japan, July, 4 – 10, 2015);9) 14-я Международная конференция «Авиация и космонавтика2015» (Москва, Россия, 16 – 20 ноября 2015 года); 10) 15-я Международная конференция«Авиация и космонавтика-2016» (Москва, Россия, 14 – 18 ноября 2016 года); 11) 11-ямеждународная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ’2016)(Алушта, Крым, 25 – 31 мая 2016 года); 12) 5 International Conference «Space Propulsion 2016»(Rome, Italy, May, 2 – 6, 2016); 13) 67 International Astronautical Congress (Guadalajara, Mexico,September, 26 – 30,2016); 14) 6-я Российско-Германская конференция «Электроракетныедвигатели: их применение в космосе и перспективы развития» (Самара, Россия, 28 августа – 2сентября 2016 года);Структура и объем работыРабота представляет собой рукопись объёмом 143 страниц печатного текста, включая 74рисунка, 16 таблиц, а также список цитируемой литературы, содержащий 85 наименований.

Онавключает в себя Введение, четыре раздела, Заключение, а также список использованныхисточников.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВоВведенииприводитсяобоснованиеактуальноститематикидиссертационногоисследования, краткое описание проблемы экспериментального и расчетно-теоретическогоисследования тепловых процессов, протекающих при работе ВЧИД. Описывается степеньразработанности выбранной темы, формулируются цели и задачи, научная новизна, теоретическаяи практическая значимость результатов работы, методология и методы диссертационногоисследования, положения, выносимые на защиту, достоверность полученных результатов,реализация и внедрение результатов работы, личный вклад соискателя, сообщаются сведения обапробации работы и публикациях автора, излагается объём и структура диссертации.В первом разделе приводится принципиальная схема ВЧИД, см. Рисунок 1, описываютсятехнические характеристики известных ВЧИД, их преимущества и недостатки по сравнению с8более распространенными ионными двигателями на постоянном токе (ИДПТ).

Обосновываетсянеобходимость разработки тепловой модели ВЧИД как одного из наиболее нагретого элемента всоставе КА. Отмечается важность теплового моделирования для выбора материалов на этапепроектирования; для выявления критических элементов конструкции двигателя по предельнойвеличине рабочей температуры, а также для решения вопроса теплового сопряжения ВЧИД сдругими системами КА.Рисунок 1 –Принципиальная схема ионного двигателя с индукционным ВЧ разрядомПриводится описание теплофизических процессов, протекающих в различных узлах конструкциипри работе ВЧИД.

Проводится обзор существующих расчетных тепловых моделей иэкспериментальных измерений температур во ВЧИД, выполненных в Германии, где технологияВЧИД была изобретена профессором Х. Лёбом (Loeb, H.W.Ein elektrostatisches Raketentriebwerkmit Hochfrequenzionenquelle / H.W.Loeb // Astranautica Acta, Vol. 8, №. 1, 1962, pp. 49-62) и вРоссии, где технология ВЧИД разрабатывается в настоящее время. Формулируется постановказадачи теплового моделирования и экспериментального исследования тепловых процессов вВЧИД.Во втором разделе приводится описание тепловой расчетной модели.

В модели принято, чтоперенос тепла в конструкции ВЧИД осуществляется лучистым и теплопроводным способом, атакже через контактные сопротивления. Определяются выражения для входных тепловых потоков,идущих из плазмы разряда на поверхности различных элементов ВЧИД. Показано, что исходноеуравнение теплопроводности может быть использовано в форме уравнения Лапласа, т.е.∆T = 09(1)Уравнение (1) решается численным методом с помощью пакета прикладных программ с учетомграничных условий I и II рода, которые определяют температуры окружающей среды, тепловыепотоки, выделяющиеся на проводящих поверхностях под действием индукционных токов, а такжевходные тепловые потоки, идущие из плазмы разряда. На границе разделов элементов,принадлежащих разным узлам конструкции, вводятся контактные сопротивления.Входные тепловые потоки приносятся из плазмы на поверхности, граничащие с разрядом,ионами, электронами и образующимися при их нейтрализации на поверхности ГРК и ЭЭфотонами.

Тепловые потоки в предлагаемой модели используются в виде, аналогичномприведенному в тепловой модели Ван Ноорда (Van Noord J.L. NEXT Ion Thruster Thermal Model.National Aeronautics and Space Administration, Glenn Research Center, 2010), на основе которойпостроены все существующие тепловые модели ВЧИД (Dobkevicius M., Feili D. A coupledperformance and thermal model for radio-frequency gridded ion thrusters // Eur. Phys. J. D. 2016.