Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 17

На этих же рисунках приведены профили эрозии,определенные при измерениях перед началом испытаний и на момент времени наработки 98 часов.(а)(б)Рисунок 2.23 (а) - Профиль эрозии наружной стенки; (б) - Профиль эрозиивнутренней стенки84Для оценки скорости эрозии выходных элементов разрядной камеры могут бытьиспользованы результаты измерений размеров на глубине 1,5 мм от среза разрядной камеры.Этот выбор обусловлен тем, что выходная часть наружного выходного элемента в исходномсостоянии была проточена на конус.За первые  98 часов скорость эрозии на глубине 1,5 мм от среза за указанный периодвремени для наружной стенки составила  0,008 мм/час, а для внутренней  0,025 мм/час.

Запоследующие  440 часов работы она составила: для наружной стенки составляет 0,0045мм/час, а для внутренней  0,0064 мм/час. Сравнение скоростей эрозии за первые  98 часовресурсной наработки со скоростями эрозии за последующие  440 часов испытанийпоказывает существенное их замедление в процессе увеличения наработки, типичное дляСПД. С учетом отмеченной тенденции можно было ожидать, что модель СПД-85П способнаобеспечить достаточно большой ресурс. Однако рассмотрение полученных после испытанийпрофилей эрозии показало, что в результате проведенных испытаний получены значительноотличающиеся от получавшихся ранее профили стенок, а именно: если раньше они былиблизки к коническим, то профили стенок в модели СПД-85П получились с очевиднымизломом (см.

рисунок 2.23 (б)). Это не было предусмотрено при разработке модели СПД85П, что и привело к разрушению внутреннего выходного элемента, поскольку именно вместе излома профиля было расположен стык выходного элемента с базовой частьюразрядной камеры. Поскольку крепление выходного элемента осуществлялось в данноймодели только его прижатием внешним кольцом, то после выхода границы износа наупомянутый стык этот элемент разделился на две части. Таким образом, в результатересурсных испытаний модели СПД-85П выявлена новая особенность износа выходныхчастей стенок разрядной камеры.Представляет интерес понять причины отмеченного изменения характера профилейстенок.

Они могут быть объяснены изменением разрядного напряжения, поскольку онозначительно выше большинства напряжений, при которых проводились ресурсныеиспытания СПД, составлявших не выше 400В. Отмеченное увеличение разрядногонапряжения, как следует из имеющихся данных [86], должно было привести к увеличениютемпературы электронов в СИУ, максимум которой должен находиться у начальной частизоны эрозии со стороны анода.

Соответственно в этой части канала должен увеличитьсяпристеночный скачок потенциала. Поэтому ионы, родившиеся в этой части канала, должны,во-первых, приобретать большие радиальные скорости, чем это было ранее, и большиеэнергии в пристеночном скачке потенциала, что, возможно, и привело к увеличениюраспыляющей способности ионного потока в рассматриваемой части канала.85Таким образом, ресурсные испытания модели СПД-85П помимо подтверждениярассмотренных ранее причин изменения характеристик двигателя по мере увеличениянаработки двигателя позволили выявить новую особенность износа стенок разряднойкамеры при работе СПД с повышенным разрядным напряжением, которая требуетдальнейших исследований.Заключение к Главе 2По материалам, изложенным в главе 2, представляется возможным сделать следующиевыводы:1.

Подтверждена перспективность схемы двигателя с магнитным экраном внутриразрядной камеры, которая определяется возможностью повышения тяговых характеристикдвигателя по сравнению с двигателями традиционной схемы за счет обеспечения болееэффективного управления характеристиками магнитного поля в ускорительном канале иперехода к двухступенчатой схеме питания разряда.2. Выявлены особенности работы двигателей такой схемы, к которым, в первуюочередь, относится возникновение нового фактора изменения тяговых характеристикдвигателя при длительной работе – осаждение распыленного с выходных участков стенокразрядной камеры материала на поверхности магнитного экрана в порошкообразном виде иобразованиенерегулярныхскопленийэтогоматериала,приводящихкусилениювзаимодействия дрейфующих электронов с этими скоплениями, увеличению электроннойсоставляющей разрядного тока и снижению тяговых характеристик двигателя.

Показанотакже, что основным фактором, определяющим снижение тяговых характеристикразработанных моделей СПД по мере увеличения их наработки, является уширениевыходной части ускорительного канала. Выявлены также новые особенности износа стенокразрядной камеры, которые требуют дальнейшего изучения.3. Показано, что определенный эффект по борьбе с отрицательным влияниемзагрязнения ускорительного канала могут дать:- защита поверхности магнитного экрана козырьками из того же материала, что иматериал выходных элементов разрядной камеры;- предварительное уширение ускорительного канала, позволяющее снизить потокираспыленного с выходных элементов вещества в прианодную часть разрядной камеры.В следующей главе будут представлены результаты дальнейшего исследованияназванных возможностей.86ГЛАВА 3.

ПОВЫШЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ТЯГОВЫХХАРАКТЕРИСТИК МОДЕЛЕЙ СПД-100ПМ И СПД-140ПМ НАРЕЖИМАХ РАБОТЫ С ВЫСОКИМ УДЕЛЬНЫМ ИМПУЛЬСОМТЯГИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМАХ ПИТАНИЯ РАЗРЯДА3.1. Модернизация модели СПД-100ПМ для повышениястабильности тяговых характеристик с уширенной выходнойчастью ускорительного канала3.1.1. Основные сведения о модернизации модели СПД-100ПКак было показано в предыдущей главе модели СПД-100П и СПД-85П способныобеспечить при исходной геометрии укорительного канала получение удельный импульстяги на уровне 30км/с с тяговым КПД около (55-60%). Однако по мере наработки двигателяи,следовательно,уширениявыходнойчастиускорительногоканалапроисходитзначительное ухудшение тяговых параметров модели: удельный импульс тяги падает на3000м/с (10%) и более с одновременным уменьшением КПД практически до 0,4.

Подобныйэффект наблюдался при испытаниях модели СПД-100Д на режиме работы с разряднымнапряжением 800В, когда после наработки порядка 380 часов тяга снизилась с 70-75 мН до60мН, а средние значения «анодного» тягового КПД снизились с 55% до 45% [87]. Данныенегативные эффекты проявляются вследствие уширения ускорительного канала из-заизменения геометрии выходных диэлектрических колец, что ведет к уменьшению плотностирасхода через ускорительный канал, а это, в свою очередь, приводит к расширению СИУ внаправлении анода [1].Для объяснения расширения СИУ можно привести следующие соображения. Расходрабочего газа в первом приближении пропорционален разрядному току, который врассматриваемом случае постоянной мощности, обратно пропорционален разрядномунапряжению, т.е.(3.1)Плотность ионного тока ji в ускорительном канале(3.2)87где- соответственно коэффициент переработки атомов в ионы(коэффициент использования рабочего газа), концентрация, масса и заряд ионов, площадьпоперечного сечения ускорительного канала.Откуда видно, что концентрация ионов в ускорительном канале должна уменьшаться.Поскольку она изменяется по длине ускорительного канала, в качестве характерной еевеличины можно выбрать значение на границе «зоны ионизации»(3.3)где- значения скорости ионов и падения потенциалов в зоне ионизации.Таким образом, даже при постоянных значенияхс увеличением разрядногонапряжения характерные значения концентрации ионов и электронов должны уменьшаться сувеличением разрядного напряжения.

Соответственно, может увеличиваться длина пробегаатомов до их ионизации и толщина СИУ Lc. Толщина слоя ионизации и ускорения можетбыть оценена с использованием следующего известного соотношения [88]:(3.4)где, - соответственно, Ларморовский радиус электронов приих скорости, соответствующей приложенной разности потенциалов, эффективная частотаэлектронов, описывающая перенос электронов поперек магнитного поля и частотаионизационных столкновений электронов с атомами.С увеличением разрядного напряжения первый сомножитель в выражении (3.4) долженвозрастать пропорционально. Что касается отношения, то его зависимость отразрядного напряжения оценить непросто из-за того, что пока недостаточно изученымеханизмыпоперечногопереносаэлектронов.Экспериментальныежеданныесвидетельствуют о том, протяженность зон эрозии возрастает с увеличением разрядногонапряжения, что свидетельствует о расширении СИУ.

Это приводит к увеличению потерьионов на стенках разрядной камеры и снижению тяговой эффективности двигателя.Ранее было показано, что в модели СПД-100П за счет модификации магнитнойсистемы двигателя и уменьшения ширины выходной части ускорительного канала удалосьдобиться значительного сужения СИУ и, соответственно, роста тягового КПД. Однако придостаточно длительной работе модели происходит уширение выходной части укорительногоканала, что также ведет к расширению СИУ и соответствующим негативным эффектам.Кроме того, в модели СПД-100П происходило накопление в канале двигателя распыленного88материала разрядной камеры в виде порошкообразных частиц, приводившее к увеличениюсквозного электронного тока и уменьшению тягового КПД. Все отмеченные эффекты былиполучены и в модели СПД-85П. Таким образом, представлялось целесообразным снизитьвлияние перечисленных факторов за счет модернизации модели СПД-100П, чтобы сохранитьуровень тяговых характеристик, близкий к начальному, и тем самым повысить их среднийуровень за ресурс.

Принципиальная возможность такой модернизации вытекала изрезультатов ресурсных испытаний двигателей СПД-100 и BPT-4000 [50, 89], а также изотмечавшихся в главе 1 результатов исследований американских специалистов по магнитнойзащите стенок разрядной камеры.Основная идея модернизации заключалась в оптимизации магнитного поля вускорительном канале с целью сужения и выдвижения СИУ в выходном направлении такимобразом, чтобы большая часть СИУ располагалась за плоскостью полюсов магнитнойсистемы. Это позволило бы сократить протяженность зон эрозии и снизить значимостьуширения ускорительного канала, а также реализовать предварительное его уширение сцелью снижения влияния потока распыленного порошка.

Однако только изменениехарактеристик магнитного поля недостаточно для решения задачи, поскольку магнитноеполе только формирует каркас, в пределах которого реализуются рабочие процессы.Поэтому необходимо согласованное с изменением магнитного поля изменение параметров,характеризующих названные процессы.