Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 2

С учетом изложенного тема диссертации, посвященнойразработке способов повышения тяговых характеристик СПД на режимах работ с высокимудельным импульсом тяги, является актуальной.Целью данной работы являлась выявление особенностей работы и разработка способовповышения тяговых характеристик СПД на режимах работы с высоким удельнымимпульсом тяги.Для достижения этой цели решались следующие задачи:- анализ возможных конструктивных схем СПД с высоким удельным импульсом тяги ивыбор перспективной схемы такого двигателя;- исследование характеристик и выявление особенностей работы двигателя выбраннойсхемы на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги;- оптимизация конструкции, схем питания разряда и рабочих режимов СПД выбраннойсхемы с высоким удельным импульсом тяги.- исследование параметров ионов в радиальных потоках, движущихся в окрестностивыходной плоскости СПД, где обычно располагаются катоды;Научная новизна работы заключается в следующем:1.Выявлены основные особенности работы СПД с магнитным экраномвнутри разрядной камеры и определены характеристики разряда в двигателе такой схемыпри разных схемах питания разряда, показана предпочтительность двухступенчатой схемыпитания разряда на режимах работы с напряжением до 1400В, обеспечивающихвозможность получения удельного импульса тяги до 35км/с при мощностях разряда в СПДне более 5кВт.2.Показано, что причиной затрудненного зажигания основного разряда вдвигателе с изолированным магнитным экраном, размещенным внутри разрядной камеры,6является низкий уровень потенциала этого экрана при работе катода в режиме зажиганияразряда.Показано, что энергия ионов в радиальных потоках, движущихся в3.окрестности выходной плоскости двигателя, слабо зависит от режима работы двигателя исоставляет (80-120) эВ и что источником ионов с такой энергией является выходная частьслоя ионизации и ускорения, выдвинутая в современных СПД за выходную плоскостьразрядной камеры.Практическая значимость работы состоит в следующем:1.ПоказанаперспективностьсхемыСПДсмагнитнымэкраном,размещенным внутри разрядной камеры, определены характеристики двигателей такойсхемы в расширенном диапазоне рабочих режимов и разработаны рекомендации по выборусхемы питания разряда в двигателе такой схемы и параметров его конструкции,обеспечивающие возможность достаточно эффективной работы двигателя с мощностью до 5кВт на режимах с удельным импульсом тяги до 35км/с.2.Разработаны способы повышения тягового КПД СПД при работе нарежимах с высокими удельными импульсами тяги и созданы лабораторные моделидвигателей СПД-100ПМ и СПД-140ПМ, способные работать как в одноступенчатом, так и вдвухступенчатомрежимахсудельнымиимпульсамитягидо30км/си35км/с,соответственно, и тяговым КПД более 50%.

Эти модели могут быть использованы в качествепрототипов при разработке опытных образцов СПД с высоким удельным импульсом тяги.Полученные результаты позволили успешно выполнить СЧ ОКР «Факел - НИИПМЭ»,ОКР «Двигатели ТМ – Факел - НИИПМЭ», «НИР Двигатель – НИИПМЭ», выполненныхНИИ ПМЭМАИ по договорам №11-08-11/12, №11-03-11/14, № 500-3/01-14 от 01.03.2012г.,30.06.2014г.,15.05.2014г.соответственно.Атакжеиэтап№1базовойчастигосударственного задания №648 Министерства образования и науки РФ на проведениенаучных исследований в МАИ.Достоверность и обоснованность результатовДостоверность полученных результатов и обоснованность выводов, сделанных вработе, определяется тем, что они проверены на трех моделях СПД разных размеров, а двеиз них (модели СПД-85П и модель СПД-100П) проходили испытания не только в НИИ ПМЭМАИ, но и в ОКБ «Факел». При этом были получены сопоставимые результаты.Обоснованность рекомендаций по выбору схемы и соотношений размеров СПД смагнитным экраном, размещенным внутри разрядной камеры, предназначенных для работыс высоким удельными импульсами тяги, проверены на моделях двигателя двух разныхразмеров.7Основные положения, выносимые на защитуПоложение о том, что распределение электрического поля в разряде1.СПД в значительной мере контролируется продольным распределением радиальнойкомпоненты индукции магнитного поля в объеме разряда.Положение о возможности снижения скорости износа стенок разрядной2.камеры путем максимального выдвижения слоя ионизации и ускорения за плоскостьполюсов магнитной системы за счет соответствующего профилирования продольногораспределения индукции магнитного поля.Апробация работы и научные публикацииРезультаты работы докладывались и обсуждались на 12-й и 13-й международныхконференциях«Авиация и космонавтика», 5й Российско-Германской конференции«Электрические ракетные двигатели.

Новые вызовы» по электрическим ракетнымдвигателям и их применению, а также на научно-технических советах НИИПМЭ МАИ.Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в следующихпубликациях:1.Ким, В. П. Исследование параметров плазмы и радиальных потоковионов вблизи выходной плоскости СПД / В. П. Ким, Д. В. Меркурьев, Е. К. Сидоренко //Вестник Московского Авиационного Института. - 2014. - Т.21, №1. - C. 95-103.2.Ким, В.П. Исследование формирования потоков ионов перезарядкивблизи выхода из ускорительного канала стационарного плазменного двигателя / В. П. Ким,А. С. Архипов, А.

М. Бишаев, Д. В. Меркурьев, Е. К. Сидоренко // Физика плазмы. – 2014.Т.40, №9, - С. 1-9.3.Ким В., Меркурьев Д. В., Сидоренко Е. К. Исследование параметровплазмы, а также радиальных и «обратных» ионных потоков в окрестности выходнойплоскости СПД на разных режимах его работы // 12-я международная конференция«Авиация и Космонавтика – 2013». – М.: МАИ, ноябрь 12-15, 2013.4.Arkhipov, A. S. Investigation of the plasma parameters and directed ionflows in the vicinity of the stationary plasma thruster exit plane / A.

S. Arkhipov, S. V. Baranov, A.M. Bishaev, V. Kim, V. I. Kozlov, D. V. Merkuriev, P. A. Tsygankov // 5th Russian-GermanConference on Electric Propulsion and Their Application, Dresden, Germany, September 7-12,2014.5.Архипов А. С., Баранов С. В., Бишаев А. М., Ким В. П., Козлов В. И.,Меркурьев Д. В., Цыганков П. А. Исследование параметров плазмы и направленных ионныхпотоков в окрестности выходной плоскости стационарного плазменного двигателя // 13-я8международная конференция «Авиация и Космонавтика – 2014». – М.: МАИ, ноябрь 17-21,2014.6.Kim, V. Investigation of the “back” and “radial” ion flows in the vicinity ofthe stationary plasma thruster exit plane / V. Kim, A.

S. Arkhipov, A. M. Bishaev, D. V. Merkurev,A. A. Pogorelov, G. A. Popov // paper IEPC-2015-247, 30th International Symposium on SpaceTechnology and Science 34th International Electric Propulsion Conference and 6th Nano-satelliteSymposium, July 5-10,2015, Hyogo-Kobe, Japan.Из них две опубликованы в журналах, рецензируемых ВАК.Вклад автораАвтор принимал непосредственное участие в разработке, исследовании и оптимизацииконструкции моделей СПД с магнитным экраном, размещенным внутри разрядной камеры,осуществлял анализ и обобщение результатов исследований.

Кроме того, автор провелисследование параметров ионов в радиальных потоках, движущихся в окрестностивыходной плоскости модели СПД-85П, а также исследование потенциала изолированногомагнитного экрана при работе катода в режиме поджига.Объем и структура работыРабота представляет собой рукопись объемом 138 страниц печатного текста, включая63 рисунка, 15 таблиц, а также список цитируемой литературы, содержащий 94наименований. Работа состоит из ведения, четырех глав, заключения и списка цитируемойлитературы. Во Введении обосновывается актуальность работы, формулируются цели изадачи, научная новизна и практическая значимость работы, положения, выносимые назащиту, сообщаются сведения об апробации работы и публикациях автора, излагаетсяструктура диссертации.В первой главе приводится анализ состояния разработки электроракетных двигателей(ЭРД), которые нашли применение в космической технике или могут в ближайшее времяпройтилетныеиспытания.Врезультатепоказано,чтодляповышенияконкурентоспособности СПД целесообразна разработка двигателей этого типа с болеевысокими удельными импульсами тяги.

Рассмотрены возможные конструктивные схемыСПД с повышенным удельным импульсом тяги и в качестве базовой для дальнейшихисследований выбрана схема с магнитным экраном, размещенным внутри разрядной камеры.Рассмотрены также возможные механизмы формирования радиальных потоков ионов вокрестности выходной плоскости двигателя, которые приводят к заметной эрозии элементовконструкции катодов. С увеличением разрядного напряжения значимость этого процессаможет возрасти.

Поэтому представлялось необходимым изучить этот вопрос подробнее.9Во второй главе приведены описание экспериментальной установки, методик ирезультатов экспериментального исследования, особенностей работы и характеристикдвигателей выбранной схемы на высоковольтных режимах при малых расходах рабочегогаза и различных схемах питания разряда в них.В третьей главе изложены результаты разработки способов предотвращениянегативных эффектов, обнаруженных при исследованиях первых моделей СПД-100П и СПД85П и их применение для доработки конструкции СПД двух типоразмеров СПД-100ПМ иСПД-140ПМ. Проведено экспериментальное исследование характеристик моделей приразличных схемах питания разряда.Четвертая глава посвящена исследованиям радиальных и обратных ионных потоков вокрестности выходной плоскости СПД и исследованию возможных способов защитыэлементов катода от их эрозии в результате ионной бомбардировки.В Заключении сформулированы основные выводы.В конце диссертации приводится список цитируемой литературы.10ГЛАВА 1.

СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТКИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИИССЛЕДОВАНИЯ1.1. Общая характеристика и состояние разработки ЭРД и СПДПервые идеи об использовании электроракетных двигателей (ЭРД) в космосепринадлежат К.Э. Циолковкому. Их он изложил в знаменитом труде «Исследованиемировых пространств реактивными аппаратами» в 1902-1912гг [1]. Несколько позже в 19291933ггвГазодинамическойлабораторииВ.П.Глушкопровелпервыевмиреэкспериментальные исследования ЭРД, которым был импульсный электротермическийдвигатель [1, 2].Однако значительный прогресс в данной области произошел в период активногоосвоения космического пространства во второй половине ХХ века.

Так, С.П. Королев и Л.А.Арцимович инициировали исследования ЭРД в отделе плазменных исследований институтаатомной энергии (ИАЭ) им. И.В. Курчатова, которые привели к созданию электроракетнойдвигательной установки (ЭРДУ) на основе импульсных плазменных двигателей (ИПД).Данная ЭРДУ была запущена в космос на борту космического аппарата (КА) «Зонд-2» в1964г и успешно отработала в космосе [1].Одновременно с работами по ИПД в ИАЭ им. И.В.