Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 15

Таким образом, при разработке СПД-85П необходимо было обеспечитьповышение удельного импульса тяги на (500-1000м/с). Кроме того, масса двигателя СПД100Д составляет более 5 кг, а для БК-2000 целесообразно снизить ее. С учетом этого в ТЗ наразработку модели СПД-85П было определено, что масса ее не должна превышать 4кг.Анализ возможных путей повышения удельного импульса тяги показал, что наиболеенадежным среди них является повышение плотности потока рабочего вещества вускорительном канале за счет уменьшения масштаба модели. Дело в том, что физическойпричиной, ограничивающей возможность повышения тяговой эффективности и удельногоимпульса тяги двигателей масштаба СПД-100 при ограничении мощности разряда уровнем(2,0-2,1)кВт на режимах работы с высоким удельным импульсом тяги являетсянеобходимость снижения расхода рабочего газа через ускорительный канал, приводящего кснижению эффективности переработки потока газа в ионы, т.е.

к снижению коэффициентаиспользования рабочего газа в названном канале. Кроме того, как показали исследования,выполненные ранее в НИИ ПМЭ МАИ, уменьшение расхода приводит к расширению СИУ внаправлении анода.Уменьшение масштаба модели должно приводить при прочих равных условиях кувеличению плотности расхода рабочего газа и концентрации плазмы в ускорительномканале, уменьшению длины свободного пробега атомов до их ионизациисоответственно,скоростьатомов,коэффициентскорости, гдеионизации,усредненный по функции распределения электронов по скоростям и концентрация плазмы.Поэтому оно должно приводить к повышению коэффициента использования рабочего газа в73нем, и, соответственно, к увеличению тяговой эффективности и удельного импульса тягидвигателя.Возможность увеличения удельного импульса тяги таким путем была проверена в НИИПМЭ МАИ путем увеличения плотности расхода и мощности разряда в лабораторноймодели двигателя типа СПД-100П.

Так, увеличение мощности разряда в этой модели за счетувеличения расхода рабочего газа с 2,0 до 2,5кВт при разрядном напряжении 800Впозволило получить увеличение удельного импульса тяги на (500-700м/с). С учетомизложенного было решено уменьшить наружный диаметр разрядной камеры до (80-85)мм.Как уже отмечалось, при разработке модели СПД-85П было решено использоватьрезультаты оптимизации параметров конструкции модели СПД-100П. Поэтому в этоймодели была выбрана ширина канала 14,5мм, апробированная в лабораторной модели СПД100П и близкая к ширине канала в двигателях типа СПД-100 и СПД-100Д.

При этомплощадь поперечного сечения ускорительного канала возрастает не меньше, чем на (15-20)%по сравнению с плотностью в ускорительном канале двигателя СПД-100П. Таким образом,ожидаемый эффект должен был быть заметным. Кроме того, за основу была принята схемадвигателя с магнитным экраном, размещенным внутри ускорительного канала, такжеапробированная в лабораторной модели типа СПД-100П. Эта апробация показала, что, кромеотмеченных ранее изменений, при упомянутой схеме двигателя более экономноиспользуется пространство внутри контура, ограниченного наружным диаметром разряднойкамеры, и упрощается решение проблемы размещения центрального сердечника инеобходимого числа витков на центральной катушке намагничивания.

Это заключение былопроверено путем моделирования магнитной системы с помощью программы FEMM(некоторые результаты упомянутого моделирования будут приведены позже). Более того,соотношения размеров элементов магнитной системы, отработанные в модели СПД-100П,были перенесены в модель СПД-85П. Также, для проверки приведенных рассуждений былаизготовлены и испытаны лабораторные модели СПД с наружным диаметром ускорительногоканала 80мм и 82мм с магнитной системой упомянутого типа, которые в целом подтвердилиожидания, но показали, что целесообразно несколько увеличить число витков во внутреннейкатушке намагничивания.С учетом всего изложенного было решено выбрать в окончательном вариантенаружный диаметр ускорительного канала равным 85мм.

В результате разработанаконструкция модели СПД-85П. Краткое описание конструкции лабораторной модели СПД85П приведено ниже.Лабораторная модель СПД-85П имеет конструктивную схему, представленную нарисунке 2.16(а). Особенностями этой схемы, как и схемы модели СПД-100П, являются:74- размещение магнитного экрана внутри разрядной камеры и выполнение его изжелезокобальтового сплава 49КФ (пермендюр), чтобы исключить возможное негативноевлияние перегрева экрана на магнитное поле и характеристики модели;- выполнение выходного кольца 7 и выходного диска 6 разрядной камеры из керамикитипа БГП-Д.В остальном конструкция лабораторной модели имеет традиционные для СПД черты (4наружных катушки намагничивания, анод с козырьками для защиты выходных отверстийдля поступления рабочего газа в разрядную камеру от напыления распыленными со стенокразрядной камеры и со стенок вакуумной камеры материалами, газоэлектрическую развязку15, разработанную в ОКБ «Факел»).Результаты моделирования магнитного поля с помощью названной выше программыFEMM показали, что при токах в катушках намагничивания 3А должно получатьсядостаточно большое максимальное значение индукции магнитного поля на срединнойповерхности ускорительного канала ~30мТл (рисунок 2.16(б)).Br,mT(а)(б)1 – анод – газораспределитель; 2 - центральный сердечник магнитной системы; 3 сердечники наружных катушек намагничивания; 4 – защитная сетка; 5 – корпусразрядной камеры; 6, 7 – выходные кольца разрядной камеры; 8 – магнитный экран; 9 –наружный магнитный полюс; 10 – фланец магнитной системыРисунок 2.16 (а) – Конструктивная схема модели СПД-85П; (б) - Картина силовых линиймагнитного поля в модели СПД-85П при токах в катушках намагничивания 3АПо опыту работы с моделью типа СПД-100П с аналогичной схемой магнитной системыи близким по величине зазорами между элементами магнитной системы названногозначения индукции должно быть достаточно для работы с разрядным напряжением 800В.75Следует также отметить, что при выбранном оптимальном соотношении размеров элементовмагнитной системы, подобранном по опыту работы с моделью типа СПД-100П, реализуютсяследующие особенности:1.

В части ускорительного канала можно получить достаточно четкую фокусирующуюгеометрию силовых линий магнитного поля и достаточно заметное вынесение области смаксимальной индукцией за выходную плоскость наружного полюса магнитной системы.Дальнейшее вынесение названной области с максимальной индукцией может бытьдостигнуто перемещением магнитного экрана к плоскости полюсов, но при этомзначительно возрастают потоки через магнитный экран и требуемые Ампер-витки вкатушках намагничивания, а также несколько снижается тяговая эффективность двигателя.2.

Достаточно четко определяется положение анодной границы ускоряющего слоя, таккак внутри магнитного экрана отчетливо разделяются зоны с линиями, направленными каноду, которые должны выравнивать потенциал в этой области, и зона с квазирадиальныммагнитным полем. Поэтому анодная граница СИУ должна быть локализована в области, гденачинается область канала с конфигурацией силовых линий магнитного поля, близкой крадиальной.При одинаковых токах в катушках намагничивания можно было ожидать также, чтоанодная граница СИУ у внутренней стенки и, соответственно, зона эрозии на внутреннейстенке ускорительного канала будут расположены ближе к аноду, чем у наружной стенки(рисунок 2.16(б)).

Кроме того, результаты моделирования позволяют выбрать протяженностьвыходных элементов разрядной камеры, исходя из того, что диэлектрические поверхностидолжны перекрывать области, в которых возможно значительное падение потенциала. Сучетом изложенного были выбраны продольные размеры выходных элементов разряднойкамеры, а также их продольное положение, обеспечивающее перекрытие пристеночных зонс квазирадиальной направленностью силовых линий магнитного поля в пределахприанодной части распределения магнитного поля вплоть до сечения с максимальнымизначениями индукции магнитного поля.Наружный полюс и фланец магнитной системы выполнены без срезов для увеличенияплощади теплосброса с них, так как плотность мощности разряда в лабораторной моделиСПД-85П выше, чем в моделях масштаба СПД-100.

Как уже отмечалось, наружный диаметрвыходной части разрядной камеры составляет 85мм. При ширине канала 14,5мм внутреннийего диаметр получился равным 56мм. Таким образом, площадь поперечного сеченияускорительного канала составила 32см2, что примерно в 1,25 раз меньше, чем в СПД-100Д.Следовательно, плотность мощности при одинаковой мощности разряда возрастает в моделиСПД-85П примерно на 25%. Облегчает ситуацию то, что за счет возрастания плотности76расхода ожидалось увеличение примерно на 5% тягового КПД модели. Кроме того, оценки иизмерения температуры элементов магнитной системы, наиболее чувствительной кперегреву, показали, что эти температуры можно удержать на приемлемом уровне.Результаты этих измерений будут приведены позже.Масса модели СПД-85П без учета массы подводящих проводов составила привыбранных ее размерах ~3,5кг.

Подобная масса модели обеспечивала возможностьразработки на ее основе двигателя БК-2000 с массой ~4кг, поскольку масса двух катодов скронштейном их крепления может составить (300-400)г., а тепловые экраны, обычноприменяемые в летных конструкциях СПД, и прочие вспомогательные элементыконструкции имеют небольшую массу.2.5.2. Результаты испытаний модели СПД-85П в НИИ ПМЭ МАИ и ОКБ«Факел»Описанная модель СПД-85П прошла несколько циклов доводочных испытаний в НИИПМЭ МАИ и ОКБ «Факел», в процессе которых осуществлялись устранение недостатков ееизготовления и оптимизация геометрии выходной части разрядной камеры, а такжеположения магнитного экрана.

Испытания на первом этапе проводились с катодом типа КЭ5 ОКБ «Факел», работавшим с расходом 0,45мг/с, а затем с катодом КНД, такжеразработанным в ОКБ «Факел» и работавшим с расходами ксенона от 0,2 до 0,4мг/с.При малых расходах ксенона через ускорительный канал наблюдалось затрудненноезажигание разряда при «плавающем» магнитном экране. Поэтому магнитный экран в моделиСПД-85П соединялся с анодом либо напрямую, либо через сопротивление порядка 20кОм всоответствии с полученными ранее результатами исследования моделей типа СПД-100П.Электропитание основного разряда осуществлялось от стендовых источников питания,при этом в разрядную цепь был включен фильтр стандартной схемы с емкостью 6мкФ,шунтирующей промежуток анод-катод, и индуктивностью в анодной цепи ~0,15мГн,зашунтированной сопротивлением 100Ом.Испытания включали в себя:- снятие вольтамперных характеристик на режимах работы с расходами 2,0мг/с-3,0мг/св диапазоне разрядного напряжения (300-900)В, проверка достижимости требуемыхвыходных параметров модели и предварительный выбор рабочего режима лабораторноймодели СПД-85П (рисунки 2.17(а) – (б));- контрольные испытания длительностью 20-50 часов с целью уточнения выборарежима для длительной работы лабораторной модели СПД-85П и проверки стабильностиначальных («сдаточных») параметров модели;77Вольтамперные характеристики мало отличались от вольтамперных характеристикмодели СПД-100П с тем лишь исключением, что тяга и удельный импульс тяги моделиСПД-85П в результате перехода на уменьшенный размер модели, как и ожидалось,получились выше, чем у моделей СПД-100П.(а)(б)Рисунок 2.17.