Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 14

Затем в НИИ ПМЭ МАИна основе показанной выше модели было разработано программное обеспечение VKS 1.0[52].Согласно упомянутой методике реализуются один или несколько этапов, включающихв себя проведение эрозионного испытания, измерение профилей стенок после испытания,позволяющих восстановить или уточнить распыляющую способность потока, расчет сиспользованием полученной распыляющей способности потока дальнейшего износа стенокза период времени, значительно превышающий время испытаний, доведение профилейстенок до расчетных механической обработкой, приработку профилей после механическойобработки путем работы двигателя и определение профилей стенок после приработки.Вторые и последующие профили стенок позволяют скорректировать распыляющуюспособностьионногопотокатакимобразом,чтобырасчетныепрофилилучшесоответствовали полученным в результате испытаний на обоих этапах.

За счет этого удаетсяповысить точность прогнозирования износа.2.4.2. Результаты оценки времени износа выходных элементов моделиСПД-100П с использованием поэтапной методикиВ данной работе оценка износа стенок разрядной камеры была реализована следующимобразом. Был проведен первый этап испытаний модели СПД-100П2 на режиме работы сразрядным напряжением 800В и мощностью (2,0-2,1) кВт с длительностью 36 часов. Поокончании первого этапа испытаний были проведены измерения профилей обращенных кразряду поверхностей выходных колец.

Они показали, что износ стенок на большей частизоны эрозии достаточен для измерений с точностью 0,1мм (рисунок 2.14(а)). Эти данныебыли использованы в качестве исходных для расчета эрозии стенок по описанной вышеметодике, и был определен момент времени, когда поворот профилей стенок из-за ихнеравномерного по длине износа произойдет примерно на 30 градусов (рисунок 2.15(а)). Этовремя составило около 100 часов. Далее было осуществлено механическое доведениепрофилей стенок до расчетных при наработке 100 часов и реализовано 2 подэтапа69приработки: длительностью 28 часов и 38 часов. После каждой приработки осуществлялосьизмерение профилей стенок. Результаты измерений после 2-ой приработки показали, чтопрофили стенок качественно не изменились по сравнению с профилями после 1-ойприработки (рисунок 2.14(б)).

Поэтому профили стенок после 1-го этапа испытаний и после2-ой приработки были использованы для дальнейшего расчета износа стенок.Полученные результаты показали, что выход границ износа на полюса магнитнойсистемы произойдет примерно через 5000-10000 часов (рисунок 2.15(б)).(а)(б)Рисунок 2.14.(а) – Профили стенок разрядной камеры после первого этапаиспытаний; (б) - Профили стенок разрядной камеры после второго этапа испытаний(28 и 38 часов соответственно)Следует обратить внимание на то, что согласно результатам моделирования достаточнозначительное уширение ускорительного канала, например на 30 градусов на сторону,должно происходить через (100-200) часов тогда, как последующее уширение на уголпорядка 45 градусов ожидается через (1000-2000) часов. Это подтверждается и результатамиресурсных испытаний (см., например, результаты испытаний двигателя СПД-100 – [53]).Поэтому предварительное уширение ускорительного канала не приведет к значительномууменьшению ресурса двигателя.Важно также то, что в результате оптимизации модели СПД-100П удалось присопоставимых наработках уменьшить протяженность зон эрозии до ~(7-8) мм на наружной идо ~10мм на внутренней стенке, что примерно в 1,5 раза меньше, чем было в модели типаСПД-100В на высоковольтных режимах работы (см.

рисунок 1.6). Таким образом,приведенные результаты подтвердили возможность некоторого повышения тяговойэффективности и уменьшения протяженности зон эрозии на стенках разрядной камеры засчет перехода к схеме с магнитным экраном внутри разрядной камеры, т.е. создатьпредпосылки для обеспечения достаточно большого ресурса моделей типа СПД-100П.70(а)(б)Рисунок 2.15. (а) - Результат моделирования износа для наружного выходногокольца; (б) - Результат моделирования износа для внутреннего выходного кольцаПроведенные испытания кроме данных о скорости эрозии и профилях стенокразрядной камеры при разных наработках позволили убедиться также в том, то приуширении ускорительного канала уменьшается поток распыленного со стенок веществавнутрь этого канала и за счет этого уменьшаются отрицательные проявления осажденияэтого вещества.

Кроме того, подтверждено, что при выбранных параметрах рабочего режимауширениеканалаприводиткснижениютяговых характеристикиз-засниженияконцентрации плазмы и соответствующего снижения вероятности ионизации атомов,наблюдавшееся и в других работах (см., например, доклад из НИИТП на [84]). Следуетотметить, что при больших уширениях ускорительного канала тяговые характеристикимогут восстановиться, как это произошло в процессе ресурсных испытаний двигателя СПД100.

Объяснить это можно тем, что при большом уширении ускорительного каналаснижается интенсивность взаимодействия электронов со стенками и повышается ихтемпература аналогично тому, что имеет место в ДАС. Соответственно, повышаетсяионизирующая способность электронов и вероятность ионизации атомов в канале71восстанавливаются. Поэтому, естественно, возникает идея создания двигателей исследуемойв данной работе схемы с достаточно большим предварительным уширением канала и стяговыми характеристиками, близкими к получаемым при цилиндрической геометриистенок, в которой подавлено отрицательное влияние осаждения распыленного с выходныхколец вещества внутри разрядной камеры.

Такое решение отрабатывается в настоящее времяв США и в центре имени М.В. Келдыша, а также реализовано в конструкциях моделей СПДтипа ПлаС, разрабатываемых в ОКБ «Факел» (см. рисунок 1.9(б)). При этом значительноепредварительное уширение ускорительного канала означает потерю определенной частиресурса двигателя, но, как уже отмечалось ранее, в силу быстрого снижения скорости износапо мере уширения ускорительного канала эти потери оказываются незначительными.Проверке возможности практической реализации этой идеи были посвященыдальнейшие исследования. Полученные при этом результаты изложены в следующей главе.2.5. Результаты разработки и испытаний модели СПД-85ПРазработкалабораторноймоделиСПД-85ПосуществляласьпозаказуАО«Информационные спутниковые системы» (АО «ИСС») на разработку высокоимпульсногодвигателя блока коррекции БК - 2000 для КА, разрабатываемых эти предприятием.

С учетомтехнического задания АО «ИСС» 790. ТЗ 980-2600-12 «Разработка и лабораторноотработочные испытания инженерной модели блока коррекции на базе высокоимпульсногоплазменного двигателя» для ОКБ «Факел» в НИИПМЭ МАИ были осуществленыразработка, изготовление и испытания лабораторной модели СПД-85П мощностью 2,1 кВт сцелью проверки возможности обеспечения «сдаточного» удельного импульса тяги 28км/с исреднего за ресурс значения удельного импульса тяги 27км/с. В процессе реализации этойразработки решались следующие задачи:- выбор схемы и основных размеров лабораторной модели СПД-85П, которые могутобеспечитьзначенияудельногоимпульсатягинаначальномэтапеиспытаний(эксплуатации) не менее 28км/с при разрядном напряжении (800-810)В и массе модели неболее 4 кг;- изготовление и испытания разработанной модели с целью проверки достижимоститребуемых значений удельного импульса тяги, стабильности параметров двигателя не менее20-ти часов, а также приемлемого для обеспечения большого ресурса теплового режимаэлементов конструкции двигателя;72- определение ресурсных характеристик модели с целью обоснования возможностиобеспечения достаточно большого ресурса двигателя БК, если он будет разрабатываться наоснове модели СПД-85П.Несмотря на то, что при разработке модели СПД-85П решались чисто прикладныезадачи, отдельные из полученных результатов представляют определенный интерес и длярешения рассматриваемых в данной диссертации проблем.

Поэтому ниже упомянутыерезультаты будут рассмотрены более подробно.2.5.1. Описание конструкции лабораторной модели СПД-85ПОсновной проблемой при разработке двигателя БК-2000 являлось обеспечениетребуемого удельного импульса тяги, так как двигатель СПД-100Д разработки ОКБ«Факел», а также лабораторные модели масштаба СПД-100П, разрабатывавшиеся в НИИПМЭ МАИ, позволяли получать начальное (сдаточное) значение удельного импульса тяги невыше 27,5км/с.