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

2ОглавлениеВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................. 4ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТКИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИИССЛЕДОВАНИЯ .................................................................................................... 101.1. Общая характеристика и состояние разработки ЭРД и СПД ...........................................101.2. Обзор работ по исследованиям СПД на режимах работы с высоким удельнымимпульсом тяги ............................................................................................................................181.3 Особенности схем СПД, работающих при повышенном разрядном напряжении ..........241.4 Обзор методов и результатов исследования процессов, протекающих в струе СПД .....331.5 Цели и основные задачи диссертационной работы ............................................................44ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ОСОБЕННОСТЕЙРАБОТЫ МОДЕЛЕЙ СПД-100П И СПД-85П НА РЕЖИМАХ С ВЫСОКИМУДЕЛЬНЫМ ИМПУЛЬСОМ ТЯГИ .......................................................................

452.1. Описание экспериментальной установки и методик и средств измерения интегральныхпараметров моделей .....................................................................................................................452.1.1. Описание вакуумного стенда У-2В-1 ..........................................................................452.1.2. Многосеточный зонд – энергоанализатор ...................................................................482.1.3.

Методика определения параметров ионного потока с использованиеммногосеточного зонда – энергоанализатора..........................................................................502.2. Результаты исследования интегральных параметров СПД-100П при различных схемахпитания разряда............................................................................................................................522.2.1. Оптимизация конструкции модели СПД-100П ..........................................................522.2.2. Результаты исследования характеристик модели СПД-100П-2 придвухступенчатой схеме питания разряда...............................................................................562.3.

Исследование стабильности выходных параметров моделей типа СПД-100П вовремени .........................................................................................................................................602.3.1. Предварительные испытания модели СПД-100П2 .....................................................602.3.2. Испытания модели СПД-100П3 на стабильность параметров ..................................632.4. Результаты оценки времени износа выходных элементов модели СПД-100П сиспользованием поэтапной методики ........................................................................................662.4.1.

Методика ускоренной оценки времени износа выходных элементовускорительного канала ............................................................................................................662.4.2. Результаты оценки времени износа выходных элементов модели СПД-100П сиспользованием поэтапной методики ....................................................................................682.5. Результаты разработки и испытаний модели СПД-85П ...................................................712.5.1.

Описание конструкции лабораторной модели СПД-85П ..........................................722.5.2. Результаты испытаний модели СПД-85П в НИИ ПМЭ МАИ и ОКБ «Факел» .......762.5.3. Результаты испытаний модели СПД-85П в ОКБ «Факел» ........................................78Заключение к Главе 2 ..................................................................................................................853ГЛАВА 3.

ПОВЫШЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ТЯГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИКМОДЕЛЕЙ СПД-100ПМ И СПД-140ПМ НА РЕЖИМАХ РАБОТЫ СВЫСОКИМ УДЕЛЬНЫМ ИМПУЛЬСОМ ТЯГИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМАХПИТАНИЯ РАЗРЯДА .............................................................................................. 863.1. Модернизация модели СПД-100ПМ для повышения стабильности тяговыххарактеристик с уширенной выходной частью ускорительного канала ................................863.1.1. Основные сведения о модернизации модели СПД-100П ..........................................863.1.2.

Этапы и результаты исследования характеристик модели СПД-100ПМ .................903.1.3. Результаты определения изменения параметров модели СПД-100ПМ в процессеконтрольных наработок...........................................................................................................933.1.4. Результаты определения магнитных характеристик модели СПД-100ПМ .............953.1.5 Результаты измерения расходимости струи модели СПД-100ПМ на режимахработы с высоким удельным импульсом тяги ......................................................................973.2. Параметрические испытания лабораторной модели СПД-140ПМ на режимах работы сповышенным удельным импульсом тяги ..................................................................................993.2.1.

Разработка лабораторной модели СПД-140ПМ .........................................................993.2.2. Результаты исследования характеристик модели СПД-140ПМ..............................1013.2.3. Результаты измерения расходимости струи модели СПД-140ПМ во времяпараметрических испытаний ................................................................................................1063.3. Определение потенциала изолированного магнитного экрана в момент зажиганияразряда.........................................................................................................................................108Заключение к главе 3 .................................................................................................................110ГЛАВА 4.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАДИАЛЬНЫХ ИОННЫХПОТОКОВ В ОКРЕСТНОСТИ ВЫХОДНОЙ ПЛОСКОСТИ СПД ИВОЗМОЖНОСТИ ЗАЩИТЫ КАТОДОВ ОТ РАСПЫЛЕНИЯ ЭТИМИПОТОКАМИ............................................................................................................ 1114.1. Анализ процессов формирования радиальных потоков ионов в окрестности выходнойплоскости СПД ...........................................................................................................................1114.2. Методика и результаты исследования параметров радиальных ионных потоков внепосредственной близости выходной плоскости СПД ........................................................1144.3. Исследование характеристик модели СПД-85П при различных положениях катода приработе в широком диапазоне разрядных напряжений ...........................................................119Заключение к Главе 4 ................................................................................................................125ЗАКЛЮЧЕНИЕ .......................................................................................................

126СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ...................................................................................... 1294ВВЕДЕНИЕЭлектроракетные двигатели (ЭРД) в настоящее время успешно используются вкосмической технике, и их применение расширяется. В связи с этим требуется разработкановых, более эффективных, электроракетных двигателей с улучшенными выходнымипараметрами, повышенной надежностью и совместимостью с космическим аппаратом.В наибольших объемах ЭРД применяются для решения задач коррекции истабилизации орбит геостационарных космических аппаратов (КА).

При этом длясовременных и перспективных геостационарных КА оптимальными являются эффективныескорости истечения (удельные импульсы тяги) до (25-30) км/с при мощности двигателей отнескольких сот Ватт до нескольких кВт. Для межпланетных перелетов и полетов в дальнийкосмос целесообразно обеспечить удельный импульс тяги ЭРД до 50км/с и более. При этомЭРД должен обладать большим ресурсом и высоким коэффициентом полезного действия(КПД).За рубежом высокоимпульсные ЭРД создаются преимущественно на основе ионныхдвигателей. Однако технология их достаточно сложна и пока недостаточно освоена вРоссии. В СССР и России наибольшие успехи были достигнуты в разработке и применениистационарных плазменных двигателей (СПД), и в настоящее время они регулярноиспользуются в отечественной и зарубежной космической технике.

Поэтому для Россиинаиболее простым и экономически обоснованным представляется решение задачи созданиявысокоимпульсных ЭРД на основе СПД. Серийные отечественные СПД, разработанные ОКБ«Факел», имеют удельный импульс тяги не более 17км/с (1700с), т.е., значительно меньшеоптимальных даже для решения задач коррекции орбит современных и перспективныхгеостационарныхискусственныхспутниковЗемли(ИСЗ).Впоследниегодывисследовательском центре имени М.В.

Келдыша создан двигатель КМ-60 с удельнымимпульсом тяги 20км/с (2000с). В ОКБ «Факел» и в центре Келдыша разрабатываютсяопытные образцы с удельным импульсом тяги 27-28км/с. Но и эти значения удельногоимпульса еще недостаточны для решения ряда перспективных задач. В связи с этимвостребованной становится задача разработки СПД с удельным импульсом тяги порядка30км/с и более.5Сложность решения названной задачи определяется тем, что наиболее реальнымспособом повышения удельного импульса тяги СПД на современном этапе являетсяувеличение разрядного напряжения.

Однако с увеличением разрядного напряженияприходится уменьшать расход рабочего газа через двигатель, чтобы сохранить плотностьмощности на уровне, приемлемом для обеспечения большого ресурса двигателях. Какпоказывают проведенные ранее исследования, это приводит к нежелательным изменениям впротекании рабочих процессов и, в конечном счете, к снижению тягового КПД иувеличению скоростей износа стенок разрядной камеры (РК) [1]. Кроме того, увеличениеэнергии ионов с увеличением разрядного напряжения может приводить к увеличениюскорости износа элементов конструкции катода-компенсатора (далее катод), на которыйпопадает часть ускоренных ионов.