Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 13

Это означает, что ихобразование происходило по всей названной окружности, а накопление их внизу разряднойкамеры происходило в результате сползания частиц порошка под действием силы тяжести и,возможно, под действием вращающегося потока дрейфующих электронов.Самые большие частицы порошка имели размер порядка 1мм (рисунок 2.11(а)), и былислабо связаны с элементами конструкции разрядной камеры. Впоследствии они были легкоудалены пылесосом.(а)(б)Рисунок 2.10 (а) - Модель СПД-100П после 50 часовых испытаний. Выходныекерамические кольца сняты; (б) - Фото разряда СПД-100П в конце испытаний настабильность параметровИсследование химического состава частиц порошка с помощью электронногомикроскопа EFO40 фирмы Карл Цейс с приставкой для рентгеновского микроанализа типа63IMTA показало, что эти частицы состоят в основном из компонент, входящих в составкерамики БГП (рисунок 2.11(б)).

Таким образом, рассматриваемые частицы образованы,главным образом, из распыленного материала стенок разрядной камеры.(а)(б)Рисунок 2.11 (а) - Увеличенное изображение фрагментов пленки; (б) - Спектральныйанализ состава фрагмента одной частицы пленкиС учетом изложенного представляется возможным заключить, что отмеченное вышесвечение (рисунок 2.10(б)) в пристеночной области разрядной камеры было обусловленовзаимодействием дрейфующих электронов с выступающими в ускорительный канал частямископлений частиц порошка. Резкое изменение характеристик двигателя в конце испытанийможно объяснить тем, что часть осколков скатилась с боковой поверхности вниз, ивыступающая в ускорительный канал часть горки порошка в этот момент стала достаточнобольшой и сильно выступающей в ускорительный канал, существенно возмущая движениеэлектронов.К сказанному следует добавить, что структура распыленного вещества, осаждающегосяна металлической поверхности, существенно отличается от структуры типичной, достаточнопрочной пленки, образующейся на поверхности керамики, а именно: как уже отмечалось, эточастицы порошка, слабо связанного с поверхностью подложки.

Поэтому, можно былопопытаться использовать это обстоятельство для разработки способа «самоочистки»двигателя. В частности, можно облегчить выход частиц порошка в область выходных колецза счет выполнения равных радиальных размеров полости в магнитном экране и радиальныхразмеров ускорительного канала в выходной его части.2.3.2. Испытания модели СПД-100П3 на стабильность параметровДля проверки идеи «самоочистки» было решено провести аналогичные описаннымвыше эрозионные испытания модели СПД-100П3 с одинаковыми радиальными размерами64полости в магнитном экране и выходной части ускорительного канала, которая былаиспытана по «двухступенчатой» схеме. Полученные при этом результаты приведены нарисунках 2.12(а)–(г).(а)(б)(в)(г)Рисунок 2.12. (а) – Вольтамперные характеристики образца СПД-100П3до и после испытаний на стабильность параметров при расходе через ускорительныйканал 2,2 мг/с; (б) - Зависимость тяги от напряжения на второй ступени; (в) Зависимость значений «анодного» удельного импульса тяги от напряжения на второйступени; (г) - Зависимость «анодного» тягового КПД от напряжения на второй ступениМодель СПД-100П3 обладала до проведения эрозионных испытаний достаточновысоким для пониженных расходов рабочего газа уровнем тяговых характеристик иобеспечивала получение «анодного» удельного импульса тяги более 30км/с при расходечерез ускорительный канал 2,2мг/с, напряжениях на первой ступени 50В и на второйступени - 750В.

При этом в исходном состоянии модели разрядная мощность была менее2кВт. С учетом того, что при выбранном напряжении на первой ступени ток через экран былмал, в качестве разрядного напряжения в случае СПД-100П3 на приведенных рисункахиспользовалось значение суммы напряжений на первой и второй ступенях. Эрозионныеиспытания проводились по укороченной схеме и длились 50 часов. Для проверки65стабильности характеристик модели за время продолжительной наработки до и послеиспытаний определялись вольтамперные характеристики модели (рисунки 2.12(а)- (г)).В процессе испытаний было обнаружено, что не удалось полностью избавиться отзагрязнения ускорительного канала, ибо в отдельных местах, как и ранее, наблюдаютсяэффекты взаимодействия электронов с азимутальными неоднородностями, очевидно,возникшими из-за образования локальных скоплений порошка осажденного материалаТаким образом, проведение контрольных испытаний двух вариантов высоковольтныхмоделей СПД-100П показало, что разрядный ток модели СПД-100П3 изменяется в меньшихпределах по сравнению с изменением разрядного тока в образце СПД-100П2, что,естественно, сказывается на мощности разряда и тяговом КПД.

Одновременно с этим,тяговые характеристики модели СПД-100П2 оказались более стабильными. Второй пункт, впервую очередь, касается тяги и удельного импульса тяги, в то время как тяговый КПД умодели СПД-100П2 уменьшался скачкообразно, а у СПД-100П3 происходило постепенноеснижение без значительных скачков (рисунки 2.13(а) – (г)).(а)(б)(в)(г)Рисунок 2.13 (а) – Сравнение изменения разрядного тока моделей СПД-100П2 и СПД100П3 в процессе испытаний на стабильность параметров; (б) – Сравнение изменениятяги моделей СПД-100П2 и СПД-100П3; (в) – Сравнение изменения удельного импульсатяги моделей СПД-100П2 и СПД-100П3; (г) – Сравнение изменения тягового КПДмоделей СПД-100П2 и СПД-100П366Осмотр двигателя после его испытаний показал, что в отдельных местах по азимутуостались относительно небольшие скопления частиц порошка, хотя в целом объем «горок»порошка был явно меньше, чем после 50-часовых испытаний модели СПД-100П2.

Этопозволило заключить, что определенный эффект «выметания» частиц порошка разрядомдостигнут, но он не устранен полностью. Поэтому необходимы и другие меры снижениявлияния осаждения распыленного материала на стенки разрядной камеры.2.4. Результаты оценки времени износа выходных элементовмодели СПД-100П с использованием поэтапной методикиКак было отмечено в главе 1, одной из проблем при работе на высоковольтныхрежимах может стать проблема обеспечения длительного ресурса двигателя, связанная сувеличением скорости распыления стенок разрядной камеры.

Поскольку разработаннаясхема двигателя представляет практический интерес, для более полной ее оценкипредставлялось необходимым провести эрозионные испытания модели СПД-100П с цельюполучения данных о скоростях износа наиболее нагруженных ее элементов, которымиявляются выходные кольца, и оценки достижимого ресурса такой модели с использованиемразработанной в МАИ поэтапной методики [52]. Эта методика предполагает проведениеэрозионных испытаний и расчетного моделирования износа с использованием профилейстенок разрядной камеры, получающихся в результате испытаний. Краткое ее описаниебудет приведено в следующем разделе.2.4.1. Методика ускоренной оценки времени износа выходныхэлементов ускорительного каналаОсновным положением при анализе износа диэлектрических стенок ускорительногоканала является то, что износ определяется ионной бомбардировкой стенок каналааналогично катодному распылению.

Поэтому локальная скорость перемещения поверхностистенки из-за удаления с нее распыленного материала может быть записана следующимобразом:(2.6)где jiw, SV(α, εi) – соответственно плотность ионного тока на поверхность икоэффициент объемного распыления материала при угле падения ионов на поверхность α иэнергии ионов εi. [81, 82].67Обычно коэффициент распыления определить через названные параметры достаточносложно, поэтому его часто выражают через SV(0,εi) – зависимость коэффициента ионногораспыления от энергии ионов при нормальном падении на поверхность и зависимостьотносительного коэффициента распыления от угла падения при фиксированнойэнергии ионов. Таким образом, при фиксированной энергии ионов можно записать [82]:(2.7)При этом изменение энергии ионов в ограниченном диапазоне и нормальном падениина поверхность может быть аппроксимирована линейной функцией, где– числовой коэффициент.

При таких условиях уравнение (2.6) можно записать(2.8)где Q – распыляющая способность ионного потока, попадающего на стенку [1].Таким образом, при наличии информации о распыляющей способности ионного потокана поверхности стенки и исходных данных о характеристиках распыления материала стенкивозможно моделирование ее износа во времени. Помимо выше перечисленного примоделировании износа в НИИ ПМЭ МАИ делаются следующие допущения:- принимается «лучевая» структура ионного потока в ускорительном канале, покоторой ионы истекают из области с максимальной интенсивностью ионизации и, еслирассмотреть продольный разрез ускорительного канала, то данную область можнотрактовать как точку, центр из которой истекает поток ионов [83];- также предполагается, что ионы не имеют азимутальной компоненты скорости идвигаются прямолинейно вдоль лучей, исходящих из названного центра, что позволяетописать пространственную структуру ионного потока, а также рассчитать вектор плотноститока в любой точке текущей поверхности стенки, получающейся при длительной работедвигателя;- энергия ионов зависит от продольной координаты точек на текущих профилях стенок,и зависимость ее от этой координаты задается с учетом результатов измерения продольногораспределения потенциала плазмы в ускорительном канале;- для перемещения поверхности стенки численно решается уравнение (2.8) с учетомтого, какие текущие значения углов падения и энергии ионов получаются на текущейповерхности;- при моделировании необходимо учитывается изменение структуры ионного потокапри уширении выходной части ускорительного канала путем изменения положения центра,из которого истекают ионы.68В качестве исходных данных для моделирования используются: геометрия задачи,положение центра и параметры ионного потока на исходной поверхности стенки, законизменения энергии ионов в процессе их перемещения к текущей поверхности, свойстваматериала (зависимость коэффициента распыления от энергии и угла падения).Данная методика была апробирована с использованием результатов ресурсныхиспытаний двигателя СПД-100, для которого имеется большой набор экспериментальныхданных по профилям стенок при различных наработках двигателя.