Автореферат (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги)

На правах рукописиМЕРКУРЬЕВ ДЕНИС ВЛАДИМИРОВИЧСПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ТЯГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИКСТАЦИОНАРНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ НА РЕЖИМАХРАБОТЫ С ВЫСОКИМИ УДЕЛЬНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ ТЯГИСпециальность 05.07.05 – "Тепловые, электроракетные двигатели иэнергоустановки летательных 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:доктор технических наук, старший научный сотрудник,Ким Владимир ПавловичОфициальные оппоненты:Кралькина Елена Александровнадоктор физико-математических наук, ФГБОУ ВПО«Московский государственный университет имениМ.В. Ломоносова», ведущий научный сотрудниккафедры физической электроникиБишаев Андрей Михайловичкандидат технических наук, старший научныйсотрудник, ФГБОУ ВО «Московский государственныйуниверситет информационных технологий,радиотехники и электроники» (МИРЭА, МГУПИ),доцент кафедры физикиВедущая организация:АО«Научно-производственнаякорпорация«Космические системы мониторинга, информационно– управляющие и электромеханические комплексы»имени А.Г.

Иосифьяна» (АО «Корпорация ВНИИЭМ»)Защита состоится «23» ноября 2015г. в 15 часов 00 мин. 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=60426Автореферат разослан «___»________________2015г.Ученый секретарьдиссертационного советаД 212.125.08д.т.н., профессорЗуев Юрий ВладимировичОбщая характеристика работыАктуальность темыЭлектроракетные двигатели (ЭРД) в настоящее время успешно используютсяв космической технике, и их применение расширяется.

В связи с этим требуетсяразработка новых, более эффективных, электроракетных двигателей (ЭРД) сулучшенными выходными параметрами, в том числе, двигатели с повышеннымиудельными импульсами тяги. За рубежом высокоимпульсные ЭРД создаютсяпреимущественно на основе ионных двигателей. Однако технология ихдостаточно сложна и пока недостаточно освоена в России. В СССР и Россиинаибольшие успехи были достигнуты в разработке и применении стационарныхплазменных двигателей (СПД), и в настоящее время они регулярно используютсяв отечественной и зарубежной космической технике. Поэтому для Россиинаиболее простым и экономически обоснованным представляется решение задачисоздания ЭРД с повышенным удельным импульсом тяги на основе СПД.Серийные отечественные СПД, разрабатываемые ОКБ «Факел», имеют удельныйимпульс тяги не более 17км/с (1700с), что значительно меньше оптимальныхзначений удельного импульса тяги, составляющих для решения задач коррекцииорбит современных и перспективных геостационарных КА (25-30)км/с.

Висследовательском центре имени М.В. Келдыша создан двигатель КМ-60 судельным импульсом тяги 20км/с (2000с). В ОКБ «Факел» и в центре им. М.В.Келдыша разрабатываются опытные образцы с удельным импульсом тяги 2728км/с. Но и эти значения удельного импульса еще недостаточны для решенияряда перспективных задач. В связи с этим востребованной представляется задачаразработки СПД с удельным импульсом тяги порядка 30км/с и более.Сложность решения названной задачи определяется тем, что наиболеереальным способом повышения удельного импульса тяги СПД на современномэтапе является увеличение разрядного напряжения.

Однако с увеличениемразрядного напряжения приходится уменьшать расход рабочего газа черездвигатель, чтобы сохранить плотность мощности на уровне, приемлемом для3обеспечения большого ресурса двигателя. Как показывают проведенные ранееисследования, это приводит к нежелательным изменениям в протекании рабочихпроцессов и, в конечном счете, к снижению тягового коэффициента полезногодействия (КПД) и увеличению скоростей износа стенок разрядной камеры. Крометого, увеличение энергии ионов с увеличением разрядного напряжения можетприводить к увеличению скорости износа элементов конструкции катода, накоторый попадает часть ускоренных ионов.

С учетом изложенного темадиссертации,посвященнойразработкеспособовповышениятяговыххарактеристик СПД на режимах работ с высоким удельным импульсом тяги,является актуальной.Целью работы являлась выявление особенностей работы и разработкаспособов повышения тяговых характеристик СПД на режимах работы с высокимудельным импульсом тяги.Для достижения этой цели решались следующие задачи:- анализ возможных конструктивных схем СПД с высоким удельнымимпульсом тяги и выбор перспективной схемы такого двигателя;- исследование характеристик и выявление особенностей работы двигателявыбранной схемы на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги;- оптимизация конструкции, схем питания разряда и рабочих режимов СПДвыбранной схемы с высоким удельным импульсом тяги;- исследование параметров ионов в радиальных потоках, движущихся вокрестности выходной плоскости СПД, где обычно располагаются катоды, наразличных режимах работы.Научная новизна работы заключается в следующем:1.Показано, что при работе СПД выбранной схемы с магнитнымэкраном внутри разрядной камеры, можно снизить величину разрядного тока приповышенных разрядных напряжениях обеспечением отрицательного смещенияпотенциала магнитного экрана относительно анода на (50-100)В и за счет этогореализовать режимы работы двигателя с более высокой тяговой эффективностью.42.Показано, что причиной затрудненного зажигания основного разрядав двигателе с изолированным магнитным экраном, размещенным внутриразрядной камеры, является низкий уровень потенциала этого экрана при работекатода в режиме поджига разряда.3.Показано, что энергия ионов в радиальных потоках, движущихся вокрестности выходной плоскости двигателя, слабо зависит от режима работыдвигателя и составляет (80-120) эВ и что источником ионов с такой энергиейявляется выходная часть слоя ионизации и ускорения (СИУ), выдвинутая всовременных СПД за выходную плоскость разрядной камеры.Практическая значимость работы состоит в следующем:1.Показана перспективность схемы СПД с магнитным экраном внутриразрядной камеры и разработаны возможные схемы питания разряда в двигателетакой схемы, обеспечивающие возможность работы двигателя с мощностью до 5кВт с тяговым КПД не ниже 50% на режимах с удельным импульсом тяги до35км/с.2.Разработаны способы повышения тягового КПД СПД при работе нарежимах с высокими удельными импульсами тяги и созданы лабораторныемодели двигателей СПД-100ПМ и СПД-140ПМ, способные работать как водноступенчатом, так и в двухступенчатом режимах с удельными импульсамитяги до 30км/с и 35км/с, соответственно, и тяговым КПД более 50%.

Эти моделимогут быть использованы в качестве прототипов при разработке опытныхобразцов СПД с высоким удельным импульсом тяги.Полученные результаты позволили успешно выполнить СЧ ОКР «Факел НИИПМЭ», ОКР «Двигатели ТМ – Факел - НИИПМЭ», «НИР Двигатель –НИИПМЭ», выполненных НИИ ПМЭМАИ по договорам №11-08-11/12, №11-0311/14, № 500-3/01-14 от 01.03.2012г., 30.06.2014г., 15.05.2014г., соответственно,этап №1 базовой части государственного задания №648 Министерства образованияи науки РФ на проведение научных исследований в МАИ.5Методы исследования: экспериментальные исследования и математическоемоделирование отдельных процессов.Достоверность и обоснованность результатовДостоверностьполученныхрезультатовиобоснованностьвыводов,сделанных в работе, определяется тем, что они проверены на трех моделях СПДразных размеров, которые проходили испытания не только в НИИ ПМЭ МАИ, но ив ОКБ «Факел».

При этом были получены сопоставимые результаты.Обоснованность выбора схемы и соотношений размеров СПД с магнитнымэкраном внутри разрядной камеры, предназначенных для работы с высокимудельными импульсами тяги, проверены на моделях двигателя двух разныхразмеров.Основные положения, выносимые на защиту1.Положение о том, что распределение электрического поля в разрядеСПД в значительной мере контролируется продольнымраспределениемрадиальной компоненты индукции магнитного поля в объеме разряда.2.Положение о возможности снижения скорости износа стенокразрядной камеры путем максимального выдвижения слоя ионизации и ускорениязаплоскостьполюсовмагнитнойсистемызасчетсоответствующегопрофилирования продольного распределения индукции магнитного поля.Личный вклад автораАвтор принимал непосредственное участие в разработке, исследовании иоптимизации конструкции моделей СПД с магнитным экраном внутри разряднойкамеры, осуществлял анализ и обобщение результатов исследований, провелисследование параметров ионов в радиальных потоках, движущихся вокрестности выходной плоскости модели СПД-85П, а также исследованиепотенциала изолированного магнитного экрана при работе катода в режимеподжига.6Апробация работыРезультаты работы докладывались и обсуждались на 12-й и 13-ймеждународных конференциях «Авиация и космонавтика», 34-ой международнойконференции по ЭРД (34th International Electric Propulsion Conference), V-йРоссийско-Германской конференции «Электрические ракетные двигатели.

Новыевызовы» по электрическим ракетным двигателям и их применению, а также нанаучно-технических советах НИИ ПМЭ МАИ.Объем и структура работыРабота представляет собой рукопись объемом 138 страниц печатного текста,включая 63 рисунка, 15 таблиц, а также список цитируемой литературы,содержащий 94 наименование. Работа состоит из введения, четырех глав,заключения и списка цитируемой литературы.Основное содержание работыВо Введении дана общая характеристика работы, ее актуальности,практической ценности, научной новизны, сформулированы цели и задачиработы.В первой главе приводится анализ состояния исследований и разработкиэлектроракетных двигателей (ЭРД), которые нашли применение в космическойтехнике или могут в ближайшее время пройти летные испытания.

В результатепоказано, что для повышения конкурентоспособности СПД целесообразнаразработка двигателей этого типа с более высокими удельными импульсами тягии выделены проблемы, которые для этого должны быть решены. Показано также,чторешитьназванныепроблемыможнозасчетсовершенствованияконструктивной схемы двигателя и, в первую очередь, его магнитной системы.Кроме того, в СПД с повышенным разрядным напряжением возрастает рисквозникновения пробоев между элементами, находящимися под анодным илиблизким к нему потенциалом и другими проводящими элементами двигателя.Поэтому необходимо также повышать электрическую прочность конструкциидвигателя.

Все это требует совершенствования конструктивной схемы двигателя.В результате анализа возможных конструктивных схем высоковольтных СПД7была выбрана предложенная в НИИ ПМЭ МАИ схема двигателя с магнитнымэкраном, размещенным внутри разрядной камеры (рисунок 1). В конструкцииСПД-100П он изолирован от других металлических элементов двигателякерамическим корпусом, что уменьшает вероятность электрического пробоя снего на другие элементы конструкции.(а)(б)Рисунок 1 (а) – Конструктивная схема модели двигателя СПД-100П смагнитным экраном внутри разрядной камеры (1 –анод –газораспределитель;2 – магнитный экран; 3,4 - магнитные полюса; 5,6 – катушки намагничивания;7,8 - выходные кольца разрядной камеры; 9 – экранирующая сетка); (б) –Результаты моделирования магнитного поля в этой моделиРазмещениемагнитногоэкрана,выполненногоизтеплостойкогомагнитомягкого материала (пермендюра), внутри разрядной камеры позволяетрасширить зону регулирования магнитного поля в области межполюсного зазора,что обеспечивает расширение возможностей управления положением зоныускорения ионов и зон эрозии стенок разрядной камеры.

Модели с магнитнымэкраном внутри разрядной камеры могут работать также как в одноступенчатомрежиме, так и в двухступенчатом, если изолировать магнитный экран и снабдитьего электрическим выводом. В случае двухступенчатого режима экран исполняетроль промежуточного электрода или катода в разряде первой ступени, которыйможет способствовать более эффективной ионизации при низких расходахрабочего газа. Кроме того, при разных его потенциалах он может выполнять8функцию электрода, управляющего переносом электронов в прианодной зоне. И,наконец, его можно соединить с анодом и получить версию «двигателя смагнитныманодом».Такимобразом,моделитакойсхемыобладаютрасширенными функциональными возможностями. С учетом всего изложенногопредставленная схема была выбрана в качестве базовой для исследованияособенностей работы и характеристик двигателей такой схемы.В первой главе рассмотрены также возможные механизмы формированиярадиальных потоков ионов в окрестности выходной плоскости двигателя,которые приводят к заметной эрозии элементов конструкции катодов.