Прогнозирование воздействия струй электроракетных двигателей на элементы и системы космических летательных аппаратов

• Автор: Надирадзе, Андрей Борисович
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 433 с. : ил.

АННОТАЦИЯ
Разработана методология прогнозирования воздействия струй электроракетных двигателей (ЭРД) на элементы и системы космических летательных аппаратов (КЛА). Создано методическое, математическое и программное обеспечение для прогнозирования силового, теплового, эрозионного и загрязняющего воздействия струй ЭРД на поверхности КЛА. Предложены табличные модели для описания струй ЭРД и процессов взаимодействия частиц с поверхностью. Построены модели самоорганизации по алгоритму МГУА А.Г.Ивахненко для определения коэффициентов распыления по физическим свойствам материалов. Исследована обратная задача восстановления коэффициентов аккомодации по данным натурной эксплуатации КЛА. Представлена двухэтапная методика расчета загрязнения поверхностей КЛА, использующая нормируемые параметры собственного массоотделения конструкционных материалов. Рассмотрены методы экспериментального определения параметров струи и характеристик взаимодействия частиц с поверхностями КЛА. Представлена методика испытаний бортового радиотрансляционного комплекса на совместимость к воздействию плазменных образований, формируемых при работе двигателей коррекции. Разработаны подходы к построению моделей комплексного воздействия факторов космического полета на элементы и системы КЛА. Предложена модель комплексного воздействия струй ЭРД, собственной внешней атмосферы и твердых частиц на солнечные батареи КЛА.
Выполненные исследования позволили скорректировать конструкцию ряда космических аппаратов и снизить влияние ЭРД до допустимых уровней, получить данные о параметрах воздействия ЭРД на элементы и системы КЛА и наметить направления дальнейших работ в области интеграции ЭРД с КЛА.
Диссертация содержит 433 страницы, 129 рисунков, 14 фотографий, 24 таблицы. Список литературы содержит 240 ссылок.

ГЛАВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭРДУ НА ЭЛЕМЕНТЫ И СИСТЕМЫ КЛА

1.1 .Общие положения

1 ^.Классификация факторов влияния ЭРД на элементы и системы КЛА

1.3.Анализ задач при интеграции ЭРДУ на КЛА

1.3.1. Модель процесса параллельной итеративной разработки КЛА

1.3.2. Основные задачи интеграции ЭРД с КЛА
1.3.2.1.Задачи выбора структурной схемы ЭСУ
1,3.2.2.3адачи оптимизации параметров элементов ЭСУ
1.3.2.3.Задачи анализа межсистемного взаимодействия
1.4.0СНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К ОПИСАНИЮ КОМПЛЕКСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭРД и факторов • КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА НА ЭЛЕМЕНТЫ И СИСТЕМЫ КЛА
1.4.1. Основные принципы построения модели комплексного воздействия ФКП на КЛА
Выводы
ГЛАВА II
СТРУИ ЭРД - МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
2.1 .Общие замечания
2.2.Основные особенности и структура струй ЭРД
2.3.Табличная модель струи ЭРД
2.3.1 .Параметризация табличной модели
2.4.МЕТОДЫ расчета параметров струй ЭРД
2.4.1. Численное моделирование струй ЭРД
2.4.2.Полуэмпирические модели струй ЭРД
2.5.Методы измерения параметров струй ЭРД
ф 2.5.1. Определение параметров ионной компоненты
2.5.2. Определение параметров распыленной компоненты
2.5.2.1 .Методика эксперимента
2.5.2.2.Методика и результаты элементного анализа мишеней
2.5.2.3.Методика обработки результатов эксперимента
Выводы
ГЛАВА
ТЕПЛОВОЕ, СИЛОВОЕ И ЭРОЗИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ СТРУЙ ЭРД НА ПОВЕРХНОСТЬ КЛА
3.1.Общие замечания
3.2.МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧАСТИЦ ГАЗА С ПОВЕРХНОСТЬЮ
3.2.1. Физические процессы при взаимодействии частиц газа с поверхностью
3.2.2.Моделирование теплового и силового взаимодействия
3.2.3.Моделирование ионного распыления
3.2.4. Обобщенная модель взаимодействия частиц газа с поверхностью
Ф 3.2.5. Вопросы практического применения Т-моделей для определения коэффициентов
распыления материалов

3.3.Методика расчета силового, теплового и эрозионного воздействия струй
• ЭРДУнаКЛА
3.4.Восстановление коэффициентов аккомодации по экспериментальным данным
3.4.1.Метод решения обратной задачи
3.4.2. Оценка коэффициентов аккомодации по данным натурной эксплуатации KJ1A
С ЕС АТ
3.5.Влияние угла расходимости струи ЭРД на величины возмущающих усилий и моментов
3.6.Методика ускоренных испытаний материалов КЛА на эрозионную стойкость в струях ЭРД
3.6.1.Постановка задачи
3.6.2.Результаты испытаний
3.6.3.Прогноз глубины эрозии
3.7.Обобщенные данные по силовому, тепловому и эрозионному воздействию
струй ЭРД на КЛА
3.8-Обобщенные алгоритмы прогнозирования силового, теплового и эрозионного
% воздействия струй ЭРД на КЛА
Выводы
ГЛАВА
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ КЛА ПРИ РАБОТЕ ЭРДУ
4.1 .Общие замечания
4.2.0сновные положения модели загрязнения поверхностей КЛА
4.3.Распределенные источники массы
4.3.1. Собственное массоотделение материалов
4.3.2.Распыление материалов струями ЭРД
4.4.Локальные источники массы
4.4.1.Моделирование струй тепловых двигателей
4.4.2.Модель эффузионного источника
4.5.Процессы массопереноса продуктов массоотделения
4.6.Расчет концентрации частиц
4.6.1.Модель прямого бесстолкновителъного массопереноса
щ 4.6.2.Модели рассеяния частиц, расчет возвратных потоков
4.6.3.Модель осаждения и отражения продуктов массоотделения
4.7.Расчетная модель загрязнения поверхностей КЛА продуктами распыления элементов конструкции СПД
4.7.1.Расчетная модель эрозии изолятора СПД
4.7.2. Расчет параметров потока частиц распыления
4.7.3.Расчет потоков осаждения продуктов распыления
4.8.Экспериментальное определение коэффициентов осаждения продуктов
распыления материалов КЛА
4.9.Комбинированная методика прогнозирования уровня загрязнения
функциональных поверхностей КЛА
Выводы
ГЛАВА
МОДЕЛЬ СОВМЕСТНОГО ВЛИЯНИЯ СТРУЙ ЭРД, ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ И СВА НА РАБОТУ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КЛА
Ф 5.1.Общие положения
5.2.ВЛИЯНИЕ высокоскоростных твердых частиц на работу СБ
5.2.1. Модель механического поражения элементов СБ КЛА
Струи ПИД существенно отличаются от струй СПД, что связано, в первую очередь, с различными методами ускорения ионов. Прежде всего, в струях ПИД энергия ионов в несколько раз выше, чем в струях СПД (от 800 до 1500 эВ и выше), а благодаря однородному ускоряющему полю все ионы имеют приблизительно одинаковую энергию (с точностью до 3-5 эВ). Кроме того, плотность тока ионов в струях ПИД обычно на порядок ниже, чем в СПД. Фокусировка струи также значительно лучше, а углы расходимости, соответственно, меньше (около 3-5°). Однако так же, как в струях СПД, в струях ПИД присутствуют нейтральные частицы в количестве 3-5% от расхода рабочего тела [227]. Они могут ионизоваться, образуя при этом ионы перезарядки и обратные потоки ионов. Интенсивность этих потоков невысока - менее 3-5% ионного тока струи. Потоки частиц распыления присутствуют, но их источник другой - внешний ускоряющий электрод. Плотность потоков частиц распыления, при использовании вольфрамовых, молибденовых или углеродных электродов, может быть сведена к минимуму. Однако полностью исключить эти потоки невозможно, и их необходимо учитывать при анализе взаимодействия струи ПИД с КЛА.
Струи пульсирующих плазменных двигателей образуются продуктами испарения твердого рабочего тела (типа фторопласта) [168]. Эти компоненты, за исключением легких водородных фракций, в большинстве своем могут конденсироваться на поверхностях КЛА и вызывать изменения характеристик его элементов. Угловое распределение конденсирующихся фракций струи близко к косинусному и простирается до углов 90° от оси струи [172]. Большое влияние на уровень загрязнения могут оказывать частицы струи в импульсе последействия, когда частицы струи плохо сфокусированы и имеют небольшие скорости.
Струи сильноточных МПД представляют собой плотные потоки ионов щелочных металлов, способных осаждаться на поверхностях КЛА. В столь плотных струях значительно возрастает доля вторичных частиц возвратных