Экспериментальное исследование взаимодействия плазмы с керамиками

• Автор: Абашкин, Владимир Викторович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 170 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ МАТЕРИАЛА СТЕНОК РАЗРЯДНОГО КАНАЛА НА РАБОТУ СПД

1.1. Основные процессы генерации плазмы в канале СПД

1.1.1. Динамика электронной компоненты

1.1.2. Формирование потоков плазмы в СПД

Е2. Влияние материала стенки па работу СПД

1.2.1. Выходные характеристики - тяга, удельный импульс, КПД

1.2.2. Ресурс СПД

1.3. Распыление стенок разрядного канала СПД

1.3.1. Общие закономерности распыления
1.3.2. Особенности распыления материалов в плазме СПД
1.4. Материалы, применяющиеся в качестве изоляторов СПД
1.4.1. Методы изготовления технической керамики
1.4.2. Механическая обработка деталей СПД
1.4.3. Предполетные механические испытания СПД
ГЛАВА. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ МАТЕРИАЛА СТЕНКИ НА РЕСУРС СПД С ВЫСОКИМ УДЕЛЬНЫМ ИМПУЛЬСОМ
2.1. Результаты 500 часовых ресурсных испытаний: постановка задачи, поиск методов решения
2.2.Измерение угловой и энергетической зависимости объемного коэффициента распыления керамик на основе нитрида бора -БГП-10'И В1Ч
2.2.1. Особенности измерения объемного коэффициента распыления
2.2.2. Устройство для измерения объемного коэффициента распыления и методика проведения экспериментов
2.2.3. Результаты экспериментальных исследований объемного коэффициента распыления керамик на основе нитрида бора- БГП-10 и В
2.2.4. Проверка полученных коэффициентов распыления БГП с помощью полуэмпириче-ской модели распыления стенки СПД
2.3. Исследование микрорельефа поверхности,стенок разрядного канала СПД;
2.3.1. «Нормальная» эрозия, «аномальная» эрозия, «тонкая, структура» стенок СПД с высоким удельным импульсом после 500 часовых сравнительных ресурсных испытаний со стенками из БГП и ВИ

2.3.2. Зависимость вида рельефа стенки разрядной камеры от материала, типа двигателя, длительности ресурсных испытаний
2.4. Измерения параметров плазмы вблизи стенки разрядного канала СПД
2.4.1. Методика зондовых измерений параметров плазмы: трудности, результаты экспериментов, оценка погрешности
2.4.2. Причины близкого ресурса двух СПД со стенками из БГП-10 и ВТЧ-ОЗ
2.4.3. Одномерная стационарная гидродинамическая модель плазмы СПД
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ЭРОЗИОННЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ПЕРСПЕКТИВНЫХ КЕРАМИК
3.1.Поиск перспективных материалов для стенок разрядного канала и других узлов СПД
3.1.1. Формирование требований к перспективным материалам для стенок разрядного канала СПД
3.1.2. Результаты параметрических и ресурсных испытаний лабораторной модели СПД с мощностью 900 Вт и удельным импульсом свыше 1850 с со стенками разрядного канала, изготовленными из перспективных материалов
3.2. Механическая прочность керамик и поиск методов ее повышения
3.2.1. Результаты механических испытаний перспективных керамик
3.2.2. Особенности разрушения хрупких тел с высокой долей Ь-ВК
3.2.3. Методы повышения механической прочности: нанесение покрытий, плазменное распыление, облучение плазмой электронного пучка
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Современные тенденции в развитии космических аппаратов выдвигают новые требования к двигателям коррекции орбиты по удельному импульсу (свыше 1800 с) и ресурсу (5... 10 тыс. часов) [1]. Перспективными с этой точки зрения являются холловские двигатели (ХД). В ХД ионы, создающие тягу, ускоряются в скрещенных электрическом и магнитном полях в объеме, ограниченном коаксиальными цилиндрическими стенками в радиальном направлении и кольцевым анодом — с одной из сторон по оси. Через отверстия в аноде подается рабочее тело, как правило, ксенон. Разность потенциалов прикладывается между анодом и катодом-компенсатором, расположенным снаружи двигателя.
ХД принято делить на двигатели с протяженной и короткой зонами ускорения. Первый тип двигателя в технической литературе называют стационарным плазменным двигателем (СПД), а второй - двигателем с анодным слоем (ДАС). Эти двигатели близки между собой по принципу действия и по достигнутым параметрам.
В. СПД разрядная камера, выполняется из диэлектрического материала, в ДАС разрядная камера металлическая. Известен также ХД с составной разрядной камерой, основная часть которой выполнена из металла, а диэлектрический материал используется в виде стенок в выходной части канала (общепринятыми названиями этих керамических узлов являются также «кольцо» и «изолятор») [2]. Поскольку разрядная камера содержит как металлические, так и диэлектрические элементы, такой, тип ХД называется холловским двигателем с гибридной схемой разрядного канала. По организации рабочего процесса этот тип двигателя ближе к СПД, но отличается, как минимум, меньшим весом разрядной камеры, более высокой механической прочностью, меньшими стоимостью и сроком изготовления камеры. В данной работе под СПД подразумеваются, как ХД с цельнокерамической, так и с гибридной разрядной камерой.
Опыт, накопленный при отработке ХД, как в России, так и за рубежом, показывает, что одной из основных причин, ограничивающих их ресурс, является эрозия стенок разрядного канала, которая происходит в результате воздействия плазмы ХД. Эрозия вызывает изменение геометрии разрядного канала вплоть до полного износа изоляторов, при котором ионный поток начинает взаимодействовать с элементами магнитопровода, обладающего низкой стойкостью к распылению. Поэтому в большинстве исследовательских работ, посвященных ресурсу ХД, полным ресурсом ХД называют время, после которого начинается интенсивное распыление магнитопровода.

(21)
где о„ - стандартное отклонение зависимости а(е) от линейной, < е > - средняя энергия электронов, в максвелловском приближении. Случай, когда 3 больше или равна единице показан на рис.7.
APotential
Rcpcllcd électron ~Р)
PlC-sllL.i
Ч)Ч1СС
Ï >11
hc.'îh »
Impinging électron

Emittcdisccondury
Re-collcctcd! sccondary

! shccith
nu Ici ial
Рис.7, ирганизация пристеночного слоя в режиме насыщения ооъемного заряда [53].
Расчеты и оценки, приведенные в [53], для СПД со стенками из двух материалов -А120з и АБН показывают, что в режиме насыщения пристеночный скачок оказывается близок к 0,7-1,1 Тс. Величина пристеночного скачка потенциала в нормальном режиме для ионов ксенона составляет 2,8-4 Те. Опираясь на результаты [53], С. Баррал с соавторами [59] разработали одномерную гидродинамическую модель плазмы СПД и провели как численные, так и натурные эксперименты для двигателя СПД-100 со стенками, изготовленньми из различных материалов, с целью обнаружить корреляцию между вольтамперными характеристиками разряда и режимами организации пристеночных слоев в плазме. Были получены удовлетворительно совпадающие с экспериментом тенденции изменения ВАХ СПД-100, для материалов с низким первым порогом размножения электронов (AIN, SiC). К сожалению, опубликованные результаты расчетов для стенок из БГП-10 не совпадают с экспериментом, как количественно, так и качественно.
Группой Е. Райцеса были проведены эксперименты по оснащению СПД карбоновыми кольцевыми насадками на выходной части разрядной камеры [51]. Ввиду высокого первого порога размножения электронов углерода, авторы предположили, что электроны будут слабее охлаждаться на стенках и лучше удерживаться магнитным полем. Зондовые измерения параметров плазмы показали повышение электронной температуры,