Приэлектродные процессы в электродуговых двигателях и плазменных устройствах

• Автор: Назаренко, Игорь Петрович
• Шифр специальности: 05.07.10
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 378 с. : ил.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИЭЛЕКТРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ПЛАЗМЕННЫХ УСТРОЙСТВАХ И ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Экспериментальные данные о характеристиках процессов на тугоплавких катодах

1.2. Анализ состояния расчетно-теоретических исследований катодных процессов

1.3. Анализ экспериментальных данных о характеристиках анодных процессов в плазменных устройствах

1.4. Состояние расчетно-теоретических исследований процессов в

анодной области дугового разряда

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ СОСТОЯНИЯ ПЛАЗМЫ В

ПРИЭЛЕКТРОДНЫХ ОБЛАСТЯХ ДУГОВЫХ РАЗРЯДОВ

ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

2.1. Уравнения сохранения числа частиц, импульса и энергии в квазинейтральном диффузионном слое приэлектродных областей
разряда
2.2. Особенности расчета переносных свойств неравновесной приэлектродной плазмы с помощью упрощенных методов
2.3. Оценка факторов, вызывающих отклонение состояния плазмы приэлектродных областей от равновесного
2.4. Кинетика процессов ионизации и рекомбинации в неравновесной
приэлектродной плазме
ГЛАВА 3. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИКАТОДНОЙ ОБЛАСТИ ДУГОВОГО РАЗРЯДА
3.1. Качественные представления о прикатодной области разряда
3.2. Взаимодействие электронов эмиссии с прикатодной плазмой

3.3. Физико-математическая модель процессов в прикатодном слое
дугового разряда
3.4. Расчет характеристик прикатодного слоя плазмы в дуговых разрядах
высокого давления
ГЛАВА 4. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИАНОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
В ДУГОВЫХ РАЗРЯДАХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
4.1. Качественные представления о характере процессов в прианодной области разряда
4.2. Физико-математическая модель процессов в прианодном слое распределенного разряда
4.3. Расчет характеристик прианодной области дугового разряда
высокого давления
ГЛАВА 5. ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА КАТОДНЫХ И АНОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В РАЗРЯДАХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
5.1. Инженерный метод расчета катодных процессов в электродуговых двигателях и плазменных устройствах
5.1.1. Модифицированный балансовый метод расчета характеристик прикатодной области дугового разряда
5.1.2. Определение параметров прикатодной плазмы на границе с дугой
5.1.3. Приближенный метод расчета теплового состояния катода
5.2. Анализ результатов расчета характеристик катодных процессов с помощью инженерного метода
5.3. Сравнение результатов расчета характеристик катодных процессов с экспериментальными данными
5.4. Упрощенные методы расчета тепловых потоков в анод для разрядов
высокого давления
5.5.Оценка эрозии электродов в электродуговых двигателях и
плазменных устройствах
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Современный этап космической деятельности человечества характеризуется расширением круга научных и практических задач, решаемых с помощью космических аппаратов (КА). К таким задачам можно отнести геологическую разведку земных недр, мониторинг земной поверхности, прогнозирование погоды, управление военными силами, информационное и телекоммуникационное обеспечение. Использование на борту КА элекгроракетных двигателей (ЭРД) позволяет увеличить время существования аппарата на орбите, расширить его маневренные возможности, повысить массу научной аппаратуры, а также снизить класс ракеты-носителя.
Одним из типов элекгроракетных двигателей, который может применяться для выполнения маневров, связанных с переводом КА с орбиты на орбиту, с коррекцией положения спутника на орбите, с изменением угла наклона орбиты, является электр одуговой двигатель (ЭДД). Принципиальная схема ЭДД представлена на рис.1. Как видно из рисунка, рабочее тело в элекгродуговом двигателе нагревается в электрической дуге постоянного тока, которая горит в цилиндрическом канале между электродами - катодом и анодом. Преобразование тепловой энергии рабочего тела в кинетическую энергию реактивной струи происходит в сверхзвуковом сопле - аноде. Современные ЭДД обеспечивают удельный импульс на уровне 6000 - 10000 м/с. В условиях, когда величина электрической мощности, на борту КА ограничена, электродуго вые двигатели при таком (не слишком высоком) удельном импульсе обладают большей величиной тяги чем, электроракетные двигатели других типов: электростатические ракетные двигатели (СПД, ДАС) и электростатические ионные двигатели (ПИД). В тех случаях, когда требуется осуществить маневрирование КА за короткий срок, указанное обстоятельство

расширением диапазона силы тока [112-115], увеличением межэлектродного расстояния [114], а также снижением давления ниже атмосферного [112]. Как и в [108], в этих работах показано, что радиальное распределение осевой составляющей плотности электрического тока и плотности теплового потока имеют колоколообразную форму с максимумом на оси дуги. Данные [114], где результаты собственных измерений сравниваются с результатами [112,115], показывают, что зависимость осевой плотности тока на поверхности анода от силы тока не является монотонной. При токах, меньших 200А, величина плотности тока на оси С увеличением тока растет, достигая максимума при 250А. Дальнейшее увеличение тока сопровождается снижением плотности тока на оси дуги и увеличением площади привязки.
Представления об энергетическом балансе на поверхности анода, изложенные в [114], нуждаются, на наш взгляд, в уточнении. Так анодное падение потенциала принималось в этой работе положительным и равным 1В. Расчет конвективного теплового потбка в анод проводился по формуле Сибулкина [116], полученной для несжимаемой жидкости с поправкой на изменение свойств в пограничном слое вблизи критической точки. Для замыкания энергетического баланса авторами [114] в качестве граничной температуры была выбрана величина 14000К, которая отличается от температуры -12000К, измеренной спектральными методами в [109,112].
Для экспериментального исследования особенностей контакта электродуговой плазмы с поверхностью анода широко используются генераторы плазмы с межэлектродными вставками [117,118]. В таких устройствах электрическая дуга горит в канале, образованном набором изолированных друг от друга охлаждаемых секций с центральным отверстием. Одна из секций канала служит анодом, вследствие чего контакт плазмы с анодом осуществляется по цилиндрической поверхности. Межэлектродные вставки, как показано, например, в [119,120], могут использоваться как коллективный зонд, измеряющий величину плавающего потенциала секции.