Исследование характеристик струй стационарных плазменных двигателей (СПД) при повышенных разрядных напряжениях

• Автор: Архипов, Алексей Сергеевич
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 150 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния разработки СПД и основные задачи диссертационной работы
1.1 Состояние разработки СПД
1.2 Основные направления дальнейшего развития СПД
1.3 Результаты исследования струй СПД
1.4 Обзор математических моделей применяемых для исследования параметров струй СПД
1.5 Цели и основные задачи диссертационной работы
ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование характеристик струй СПД, работающих при повышенных разрядных напряжениях
2.1 Общая характеристика струй СПД
2.2 Краткое описание стенда, методики и средств измерения параметров потока ускоренных ионов в струе СПД
2.2.1 Вакуумный стенд У-2В-1 и его системы
2.2.2 Электростатический зонд-энергоанализатор
2.2.2.1 Принцип работы датчика
2.2.2.2 Особенности функционирования датчика
2.2.2.3 Конструкция датчика
2.2.2.4 Недостатки датчика
2.2.3 Основные измеряемые характеристики и определяемые параметры
2.3 Результаты исследования характеристик струй моделей СПД различных размеров
2.3.1 Краткое описание моделей СПД, для которых проведены исследования характеристик струи
2.3.2 Результаты исследования распределений плотности тока ускоренных ионов и энергетического спектра ионов в струях моделей СПД различных размеров

2.3.3 Анализ закономерностей изменения характеристик струи двигателя
при изменении режима его работы
2.4 Выводы по главе
ГЛАВА 3. Анализ зависимости интегральных параметров струи от разрядного напряжения и их взаимосвязи с тяговой эффективностью двигателя
3.1 Расчетная методика определения параметров струи СПД
3.2 Зависимости интегральных параметров струи от разрядного напряжения

3.3 Анализ взаимосвязи параметров струи, потерь тяги и тягового к.п.д
3.4 Анализ факторов, снижающих тяговую эффективность двигателя
3.4.1 Неполнота использования рабочего тела в ускорительном канале двигателя
3.4.2 Неполнота использования разрядного напряжения на ускорение ионов
3.4.3 Расходимость струи двигателя
3.5 Выводы по главе
ГЛАВА 4. Расчетное и экспериментальное исследование распределений параметров плазмы в ближней зоне струи СПД
4.1 Расчетное исследование влияния разрядного напряжения на
распределения параметров плазмы в струе СПД
4.2 Экспериментальное исследование квазирадиальных ионных потоков
4.3 Расчетное исследование влияния катода и закрутки ионов на
распределения параметров плазмы в струе СПД
4.4 Выводы по главе
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Стационарные плазменные двигатели (СПД) находят все более широкое применение на борту современных космических аппаратов (КА). В ближайшем будущем предполагается расширение спектра задач решаемых этими двигателями. Среди таких задач можно выделить следующие:
• межорбитальная транспортировка;
• поддержание длительной работоспособности КА на геостационарной орбите (ГСО) со сроками активного существования (САС) 12-15 лет;
• межпланетные перелеты и полеты в дальний космос.
Для выполнения указанных задач требуются двигатели повышенной мощности и с повышенным, по меньшей мере, до (2500-3000) с удельным импульсом тяги.
Основным путем повышения удельного импульса тяги является увеличение разрядного напряжения, и в настоящее время ведется активная разработка СПД, работающих при повышенных разрядных напряжениях. В струях этих двигателей ионы имеют повышенную энергию и такие струи могут оказывать повышенное воздействие на элементы конструкции КА, попадающие в струю. Поэтому необходимо знать характеристики этих струй.
Анализ состояния исследований струй СПД показал, что к настоящему моменту проведен большой объем экспериментальных и расчетных работ который, однако, в основном относится к режимам работы с низкими (300-500 В) разрядными напряжениями. Так, в опубликованных работах не рассматривались тенденции изменения относительных угловых распределений плотности ионного тока в струях современных отечественных СПД с ростом разрядного напряжения, не были достаточно подробно изучены функции распределения ионов по энергии. Методики, которые использовались для расчета составляющих потерь тягового к.п.д. на режимах работы с повышенными разрядными напряжениями отражали эти потери не достаточно детализировано. Не были достаточно полно выяснены вопросы формирования

эрозионных испытаний. Однако точность всех названных методов оценки невысока. Поэтому представляет интерес разработка новых подходов к анализу составляющих баланса энергии в разряде СПД.
К сказанному следует добавить, что до настоящего времени мало внимания уделялось изучению периферийных зон струи СПД, и, в частности, изучению механизмов формирования квазирадиальных потоков ионов вблизи выходного сечения двигателя. Вместе с тем уже в первых, достаточно длительных ресурсных испытаниях двигателя СПД-100 была обнаружена «аномально повышенная» эрозия не работавшего катода [58]. Специально проведенное исследование этой проблемы позволило выявить влияние наличия относительно небольшого потока газа в таком катоде на возникновение паразитного «тлеющего» разряда в нем, а также наличие заметных квазирадиальных потоков ионов [59]. В результате было решено осуществлять полностью разделенную подачу газа в катоды и «отодвинуть» катоды от струи.
Однако не были достаточно полно выяснены такие вопросы как формирование квазирадиальных и «обратных» потоков ионов в области плоскости среза ускорительного канала. Значимость таких потоков была подтверждена и в недавних ресурсных испытаниях опытного образца двигателя типа СПД-100Д разработки ОКБ «Факел» проводимых в НИИ ПМЭ. Указанный двигатель работал на режиме с разрядным напряжением 800 В. Так, оказалось, что уже после 110 часов работы этого образца на поверхности поджигающих электродов катодов появились четкие следы эрозии, образовавшиеся в области, лежащей ближе к аноду, чем плоскость наружного полюса магнитной системы. Значительная эрозия поджигающих электродов подтвердилась и после 300 часов работы, при этом обратило на себя внимание то, что именно в окрестности плоскости среза наблюдается узкая полоса повышенной эрозии (см. Рис. 1.14). Очевидно, что ионы, вызывающие такую эрозию, не могли родиться в ускорительном канале. Таким образом, они