Исследование ресурсных характеристик ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов бесконтактным методом

• Автор: Дышлюк, Евгений Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 116 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. Оптическая диагностика УЗД
1.1. Принцип работы УЗД
1.2. Оптические методы исследования УЗД
1.2.1. Пассивная оптическая диагностика
1.2.2. Активная оптическая диагностика
1.3. Диагностика скорости эрозии разрядной камеры УЗД методом эмиссионной спектроскопии
Глава 2. Бесконтактный метод определения скорости эрозии разрядной
камеры УЗД
2.1. Выбор спектральных линий для диагностики скорости эрозии
2.2. Учет изменения коэффициентов скоростей возбуждения исследуемых спектральных переходов
2.3. Определение концентрации нейтрального ксенона в области исследований
2.4. Оценка погрешностей
Глава 3. Экспериментальные исследования плазмы УЗД методом
эмиссионной спектроскопии
3.1. Описание экспериментального оборудования
3.2. Результаты экспериментов и их анализ
3.2.1. Качественный анализ спектрального состава излучения, пространственные и временные характеристики излучения спектральных линий
3.2.2. Исследование скорости эрозии разрядной камеры УЗД
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Электроракетные двигатели (ЭРД) находят широкое применение как в составе электроракетных двигательных установок, предназначенных для управления движением космических аппаратов, так и для решения технологических задач, связанных, например, с ионно-пучковой обработкой материалов. Среди всех типов ЭРД ускорители плазмы с замкнутым дрейфом электронов (УЗД), известные также как холловские двигатели, обладают наилучшими энергомассовыми характеристиками и кпд для решения ряда задач в космосе в диапазоне удельных импульсов 1500...3000 с [1,2]. Несмотря на малую тягу УЗД (десятки миллиньютонов), за счет длительного времени работы (тысячи часов), возможно достижение большого суммарного импульса.
В настоящее время основной причиной, ограничивающей ресурс УЗД, является эрозия разрядной камеры ускорителя. Этот процесс вызван воздействием высокоэнергетических ионов на материал стенки камеры. Скорость эрозии зависит от многих параметров: геометрии разрядной камеры и режимов работы ускорителя, топологии магнитного поля, состава, геометрии и температуры распыляемых частей и т.д. В связи со сложностью учета всех этих процессов не удается создать модель, адекватно описывающую характер изменения скорости эрозии, и для ее определения применяются экспериментальные методы.
Наиболее надежным способом определения ресурсных характеристик УЗД являются длительные ресурсные испытания. Продолжительность таких испытаний составляет тысячи часов, а стоимость сопоставима с затратами на разработку самого ускорителя. Существуют также методы укороченных ресурсных испытаний, позволяющие на основании информации о скорости эрозии разрядной камеры в течение некоторого начального времени работы осуществить прогноз ресурсных характеристик. При укороченных ресурсных испытаниях используется информация о скорости эрозии разрядной камеры

ускорителя, полученная при помощи прямых измерений, то есть по изменению геометрии или массы распыляемых частей разрядной камеры. В связи с малостью скорости эрозии, для ее надежного определения требуется значительное время наработки ускорителя (порядка 100 ч).
Скорость эрозии зависит от большого количества параметров и выбор режима с наилучшими ресурсными характеристиками на ранних этапах отработки УЗД является очень кропотливой и дорогостоящей задачей. В связи с этим актуальна задача разработки метода определения скорости эрозии разрядной камеры УЗД в режиме реального времени. Таким образом, можно сформулировать цель настоящей работы.
Целью работы является исследование потока плазмы УЗД применительно к созданию метода определения скорости эрозии разрядной камеры УЗД в режиме реального времени. Для достижения намеченной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать локальные характеристики плазменной струи УЗД и определить модель интерпретации результатов спектроскопических измерений. Связать интенсивность излучения спектральных линий примесных частиц со скоростью эрозии распыляемых частей разрядной камеры УЗД.
2. Разработать и создать стендовую систему, позволяющую проводить необходимую диагностику плазменной струи УЗД.
3. Экспериментально проверить достоверность данного метода диагностики, определить его точность и границы применимости. Научная новизна. В работе впервые получены следующие результаты:
1. Разработана и внедрена процедура учета изменения коэффициентов скоростей возбуждения исследуемых спектральных переходов, что важно в условиях диагностики скорости эрозии диэлектрических стенок разрядной камеры УЗД. При определении изменения коэффициентов скоростей возбуждения использован метод “оптического термометра”, при этом, интерпретация спектра нейтральной компоненты рабочего
Исследованиям скорости эрозии разрядной камеры УЗД с металлическими стенками разрядной камеры (ДАС) посвящены работы [56-58], а с диэлектрическими [59] (СПД) и [60-68] (гибридная схема ускорителя). Также можно отметить интерес французских исследователей к данной области, в [69] исследуется скорость эрозии диэлектрических стенок разрядной камеры СПД. Во всех работах, посвященных эмиссионной диагностике скорости эрозии разрядной камеры ускорителей с замкнутым дрейфом электронов, при интерпретации спектра излучения примесных атомов использовалась модель коронального равновесия.
Как видно из соотношения (1.4), для установления связи концентрации распыленных элементов разрядной камеры УЗД с интенсивностью линий этих элементов необходима информация о концентрации плазмы и температуре электронов в области наблюдения. Для определения этих величин можно воспользоваться результатами зондовых измерений [59], однако данный метод имеет ряд недостатков. Так, при зондовых измерениях определяются локальные величины, а при определении характера изменения этих величин вдоль всей линии наблюдения зондовые измерения усложняются. Кроме того, точность зондовых измерений в струе ускорителя вблизи среза мала. Следует отметить, что даже если концентрация плазмы и температура электронов были определены, всегда есть большая степень неточности, связанная с коэффициентом скорости возбуждения. Дело в том, что абсолютные значения сечений возбуждения редко известны с высокой точностью [29].
Другой вариант исследований, не требующий проведения зондовых измерений, был предложен ранее в ЦНИИМаш [55] и основан на использовании опорных спектральных линий ксенона (см. также [56-58]). Данный подход позволяет избавиться от необходимости иметь информацию о концентрации плазмы в области измерений, при условии, что концентрация “опорного” элемента в области исследования была определена другим независимым методом. Применив корональную модель к линиям