Разработка и исследование перспективных электродных узлов магнитоплазменных двигателей

• Автор: Сысоев, Денис Вячеславович
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 141 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

Глава 1. Современное состояние исследований МПД

1Л Физические модели рабочих процессов

1.2 Методы расчета параметров МПД

1.3 Параметры современных МПД

Глава 2. Анализ тенденций развития конструктивного облика МПД

2.1 Выбор рабочего тела

2.2 Кризисные явления в МПД и диапазон использования внешнего магнитного поля

2.3 Электродная система МПД

Глава 3. Исследование работы МПД с подачей присадки бария в катод
3.1 Определение необходимого расхода присадки бария
3.2 Экспериментальные результаты исследования влияния присадки бария на работу МПД
3.3 Оценка погрешностей и достоверность экспериментальных
результатов
Глава 4. Исследование влияния подачи дополнительного расхода в прианодную зону на кризисные режимы работы двигателя
4.1 Экспериментальное исследование влияния подачи дополнительного расхода в прианодную зону на кризисные режимы работы двигателя
4.2 Анализ явлений, происходящих в модели двухступенчатого
стационарного МПД
Заключение
Список литературы

Введение
Современный этап развития науки и техники характерен созданием космических аппаратов нового поколения различного назначения. Происходит увеличение энерговооруженности КА и, как следствие, появляется возможность широкого использования в космической технике электрических ракетных двигателей (ЭРД), способствующих значительному увеличению времени активного существования КА, решению новых задач в околоземном и дальнем космосе. Одним из типов ЭРД является магнитоплазменный двигатель (МПД).
Отличительной особенностью магнитоплазменного двигателя, по сравнению с двигателями других типов, таких, как стационарные плазменные двигатели (СПД), двигатели с анодным слоем (ДАС), плазменно-ионные двигатели (ПИД), являются высокая плотность тяги, улучшающая массогабаритные характеристики, относительно низкое напряжение разряда, позволяющее работать без преобразователя напряжения непосредственно от бортовой энергоустановки, а также конструктивная простота. Однако для МПД характерными являются токи в сотни ампер (для МПД с собственным магнитным полем — тысячи ампер) и соответствующие электрические мощности в десятки и сотни киловатт. Именно при таких значениях токов и мощностей проявляются преимущества данного типа двигателей. Достигнутый уровень КПД магнитоплазменных двигателей на сегодняшний день ниже, чем у перечисленных выше типов двигателей (СПД, ДАС, ПИД), однако для МПД характерна тенденция его увеличения с ростом мощности, что позволяет рассчитывать на повышение КПД в последующих исследованиях до уровня, сопоставимого с КПД наиболее освоенного двигателя типа СПД.
Имевший место в 60-х - 70-х годах прошлого века большой интерес к исследованиям магнитоплазменных двигателей в дальнейшем несколько снизился, В значительной мере это объясняется отсутствием мощных

космических энергетических установок, и практическим прекращением разработки проектов, в рамках которых предусматривалось применение таких двигателей.
В настоящее время возрождается интерес к ряду перспективных задач, для решения которых применение магнитоплазменных двигателей при использовании энергоустановок большой мощности может оказаться наиболее эффективным. Это, например, пилотируемый полет к Марсу, полет автоматического зонда с ядерной энергетической установкой на борту в системы планет-гигантов, и другие. Соответственно, наблюдается рост интереса к данному типу электроракетных двигателей, проводятся экспериментальные и теоретические исследования их рабочих процессов, а разработка мощных энергоустановок, необходимых для электропитания МПД, в том числе ядерных (ЯЭУ) предусмотрена Федеральной космической программой России. Исследования МПД ведутся также за рубежом: в США, Германии, Японии, Италии.
Анализ литературных данных показывает, что наряду с успехами в понимании процессов, происходящих в МПД, и их взаимосвязи с характеристиками двигателя, остается нерешенным целый ряд проблем, касающихся, например, времени безотказной работы двигателей, расширения диапазона устойчивой работы, повышения удельных характеристик. При указанных выше величинах мощности определяющими факторами в решении данных проблем являются условия работы электродных узлов - анода и катода. Так, время безотказной работы МПД определяется в основном временем безотказной работы катода. Продемонстрированная для лучших образцов наработка катода и МПД в целом 100-500 часов существенно ниже требуемого для решения ряда баллистических задач моторного времени 5-10 тыс. часов. Повышение КПД двигателя, как уже отмечалось ранее, происходит с ростом его мощности, возможности увеличения которой ограничены так называемым «кризисом тока» (или «потерей устойчивости»), обусловленным прианодными

КПД -33% (мощность в разряде ~1МВт). На других рабочих телах, таких, как гидразин, аргон, характеристики двигателя были значительно ниже.
Большой объем исследований мощного квазистационарного МПД проведен в работе [64]. Двигатель имел охлаждаемый цилиндрическо-конический анод и стержневой катод. Подача рабочего тела (аргон, гидразин, водород) осуществлялась через межэлектродный изолятор в прианодную зону и у основания катода. На аргоне при /и=1370 мг/с, В=0,1Тл в геометрическом центре соленоида, /,„=7км/с был зафиксирован т]т~1% (мощность в разряде 470 кВт). Значительно более высокие параметры были достигнуты при использовании в качестве рабочего тела водорода. Так, при расходе 400 мг/с, Л =0,25 Тл, />й= 83 км/с, г]т составил -48%, причем собственное магнитное поле токов сопоставимо с внешним (мощность в разряде 2,5МВт). При работе на гидразине (ш =440 мг/с, £=0,1Тл, /н)=40км/с, мощность в разряде 1,5МВт) был получен дг -23%.
В работе [65] при исследовании влияния конфигурации внешнего магнитного поля на характеристики квазистационарного МПД на водороде при расходе 2750 мг/с, удельном импульсе ~40 км/с и магнитной индукции на срезе катода -0,25Тл, был достигнут тяговый КПД —50%. Использование в качестве рабочего тела аммиака привело к снижению тт до 28% при массовом расходе 4470 мг/с, и /1Й=18 км/с.
Следует отметить, что результаты исследований квазистационарных моделей затруднительно экстраполировать на стационарные аналоги, хотя общие закономерности совпадают.
Для МПД характерен рост КПД и удельного импульса с ростом мощности (соответственно, с ростом разрядного тока). Однако повышение данных параметров ограничено наступлением кризисных явлений, заключающихся в том, что, начиная с некоторого значения увеличение напряжения не приводит к росту тока. Данное явление присутствует как для МПД с собственным [34, 35], так и для МПД с внешним магнитным полем