Исследование рабочих процессов в квазистационарном сильноточном плазменном ускорителе (КСПУ) Дьяконов, Григорий Александрович

Введение к работе

Тема диссертации - "Исследование рабочих процессов в квазистационарном сильноточном плазменном ускорителя (КСПУ)".

Плазменные ускорители (ПУ) являются одним из наиболее динамично развивающихся направлений в-.плазменной технике. При большой мощности системы электропитания, (N > 100 кВт) наиболее целесообразной схемой ПУ является коаксиальный или торцевой сильноточный плазменный ускоритель с собственным магнитным полем. Разновидностью такого ускорителя, предназначенной для работы в условиях ионного токопереноса, является предложенный Л.И.Морозовым квазистационарный сильноточный плазменный ускоритель (КСПУ).

Можно отметить следующие области применения КСПУ:

1. Управляемый термоядерный синтез (УТС).

2. Электрические ракетные двигатели (ЭРД) большой мощности.

3. Лазерная техника.

4. Вакуумно - плазменная технология и плазмохимия. При этом могут применяться двухфазные потоки, содержащие плазмообразующий газ и твердую фазу в виде порошка или отдельных частиц.

5. Моделирование газодинамических, астрофизических и ионосферных процессов как.в лаборатории, так и непосредственно в космическом пространстве. Возможно применение КСПУ в качестве плаз-модинамического ускорителя твердых частиц для моделирования в лабораторных условиях метеорного удара.

Конструктивная схема КСПУ отличается большим количеством элементов, имеющих самостоятельное электропитание - так называемых активных элементов: импульсные газовые клапаны, входные и анодные ионизационные камеры (ВИКи и АИКи), струйные катоды (СК), магнитные системы анодного (Та) и катодного (Тк) трансформеров, ускорительный канап. При испольгіопаїши КППУ п качептію ускорителя двухфазных потоков добавляютої также дозаторы твердой фазы. При разработке физико-технических основ и создании КСПУ требуется предварительная разработка, создание и исследование его активных элементов как автономно, так и п оостапе ускорителя.

Наряду с основным термоядерным приложением КСПУ, рассмотренным л большом количеств- риОот, требуют изучения также другие области практического применения ускорителей типа КСПУ. Использование КОПУ в качестве ускорителя двухфазных потоков с большими скоростями твердой фазы (10 * 20 км/с) открывает принципиально новые возможноети е технологии и экспериментальной технике. Б настоящее время двухфазные потоки широко используются в технике низкотемпературной плазмы для напыления покрытий, плазмохимических процессов и т.п. При этом используются плазмотроны с характерной скоростью твердой фазы V_m - 10² * 10³м/с. При скоростях же сбьішє 10 км/с происходит уже но напыление, а взрыв частицы. При атом, вследствие высоких давлений и температур, возможно образование самых различных химических соединений. Вместе с тем, реальные возможности этих технологий пока ограничены недостаточной изученностью физики высокоскоростного удара.

Ускорители двухфазных потоков находят также применение для имитации в лабораторных условиях ударов микрометеоритов. При этом характерные для микрометеоритов массы m и скорости V_m находятся в пределах: m от 10~¹² г до 1 г, V_m от 10 км/с до 80 км/с. Однако, существующие ускорители позволяют получать скорости не свыше 10 км/с. Наряду с естественными микрометеоритами все большее значение приобретает проблема частиц искусственного происхождения (орбитальных осколков), образующихся при выведении спутников на орбиту, их разрушении или взрыЕе и при работе твердотопливных двигателей. По мере увеличения длительности полетов и количества космических аппаратов возрастает необходимость учета влияния на них метеорных частиц. Так как длительность полетов уже в настоящее время измеряется годами и в будущем будет неуклонно возрастать, необходимо более глубокое изучение этого явления и принятие эффективных мер защиты от метеорной опасности.

Разработка физико-технических основ использования КСПУ в ка-чоотне ускорителя двухфазных потоков треоует предварительного исследования режимов течения плазмы в ускорительном канале и создания с этой целью экспериментального ускорителя с возможностью варьирования рабочих процессов в широких пределах. Для эффективного ускорения макрочастиц необходимо обеспечить возможно более высокие значения плотности потока и длины области компрессии (ОК). Поэтому, при использовании плазменного ускорителя для ускорения двухфазных потоков наибольший интерес представляют компрес-

сионные течения. В получении компрессионных режимов течения определяющей является геометрия ускорительного канала, однако критерии выбора геометрии, обеспечивающей эффективную компрессию плазменного потока до настоящего времени не были известны.

6. Разработка и исследование активных элементов КСПУ, обеспечивающих подачу рабочего вещества в ускорительный канал и замыкание разрядного тока.

7. Разработка физико-технических основ экспериментального КСПУ для исследования режимов ускорения плазмы.

8. Разработка физико-технических основ применения КСПУ в качестве ускорителя двухфазных потоков.

9. Теоретическое и экспериментальное исследование течения плазмы в КСПУ с целью поиска режимов, перспективных для ускорения двухфазных потоков.

10. Разработаны и исследованы активные элементы КСПУ, обеспечивающие подачу рабочего вещества в ускорительный канал и замыкание разрядного тока. Впервые разработаны: ряд импульсных газовых клапанов, сочетающих высокий КПД, быстродействие и надежность; активные эрозионные и газовые струйные катоды. Впервые исследована работа активных струйных катодов в составе катодного трансформе ра КСПУ.

11. Впервые разработан и изготовлен экспериментальный КСПУ переменной геометрии П-50А.

12. Теоретически разработаны физико-технические основы применения КСПУ в качестве ускорителя двухфазных потоков.

13. Экспериментально и теоретически исследованы режимы течения плазмы в ускорительных каналах различной геометрии. Показана возможность реализации не только ускорительных и компрессионных, но и комбинированных (компрессионно-ускорительных и ускорительно-компрессионных) течений. Найдены режимы течения плазмы, обеспечивающие эффективное ускорение двухфазных потоков.

- 4 -НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.

14. Полученные экспериментальные данные и ряд разработанных активных элементов КСПУ позволяют использовать их при создании полноразмерных ускорителей типа П-50 и К-50. С использованием полученных данных по работе струйных катодов и модели катодного трансформера в НИИЭФА разработан проект КСПУ К-50. Импульсные газовые клапаны используются в экспериментальных установках МАИ, МГТУ, ФТИ им.А.Ф.Иоффе, ВИКА им.А.Ф.Можайского, ИТЭФ. Струйные катоды применяются в ускорителях К-50 ТРИНИТИ и ХФТИ. ВИКи использованы в установках П-50А МАИ и ВИКА.

15. На основе полученных теоретических и экспериментальных данных разработан и создан КСПУ переменной геометрии П-50А, предназначенный для исследования'режимов течения плазмы в ускорительном канале, а также для экспериментов по ускорению двухфазных потоков.

16. Показана принципиальная возможность создания на основе КСПУ плазмодинамического ускорителя, обеспечивающего скорости твердых частиц свыше 20 км/с. Результаты теоретического исследования ускорения двухфазных потоков в КСПУ ' позволяют перейти к созданию и экспериментальному исследован такого ускорителя. При этом могут быть использованы разработанные дозаторы твердой фазы.

17. Найдены перспективные для ускорения двухфазных потоков режимы течения плазмы и конфигурации ускорительного канала. Экспериментальные и теоретические исследования показали,. что наиболее эффективное ускорение двухфазных потоков может быть реализовано в компрессионно-ускорительных течениях плазмы. Такие течения могут быть использованы для ускорения двухфазных потоков, в плаз-мохимии,лазерной технике и термоядерном эксперименте. Экспериментально подтверждено также явление бифуркации плазменного течения.

18. Результаты расчетно-теоретического и экспериментального исследования активных . элементов квазистационарного плазменного ускорителя (КСПУ).

19. Результаты расчетно-теоретического и экспериментального исследования режимов течения плазмы и двухфазных потоков в ускорительном канале КСПУ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. і

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на:

20. Международной сессии C0SPAR (Гаага, 1990 г.).

21. II Германо-российской конференции по электроракетным двигателям и их техническим применениям (Москва, 1993 г.).

. 3. VII Всесоюзной конференции по плазменным ускорителям и ионным инжекторам (Харьков, 1989 г.).,-.

4. Всесоюзной научно-практической конференции "Моделирование влияния факторов антропогенного загрязнения околоземного космического пространства на элементы конструкций и систем космических аппаратов" (Ленинград, 1990 г.),

5. I Всесоюзной научно-технической конференции "Методы диагностики двухфазных и реагирующих потоков" (Алушта, 1988 г.).

6. Всесоюзной конференции по двигателям летательных аппаратов (Москва, 1986 г.).

7. Координационных совещаниях Кооперации по КСПУ (Москва, Ленинград, Харьков, Минск, 1983-1991 гг.).

По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 6 докладов на Международных и Всесоюзных конференциях, 2 авторских свидетельства на. изобретения. Направлены для публикации в журнал "Физика плазмы" рукописи 2 статей.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 168 страниц, включающих рисунков и библиографию, содержащую 103 наименований.