Введение к работе
Работа посвящена разработке бесконтактного метода исследования скорости эрозии разрядной камеры ускорителей плазмы с замкнутым дрейфом электронов (УЗД) в режиме реального времени.
Актуальность работы.
Электроракетные двигатели находят широкое применение как в составе электроракетных двигательных установок, предназначенных для управления движением космических аппаратов, так и для решения технологических задач, связанных, например, с ионно-пучковой обработкой материалов. Среди всех типов электроракетных двигателей ускорители плазмы с замкнутым дрейфом электронов, известные также как холловские двигатели, обладают наилучшими энергомассовыми характеристиками и кпд для решения ряда задач в космосе в диапазоне удельных импульсов 1500...3000 с. Несмотря на малую тягу УЗД (десятки миллиньютонов), за счет длительного времени работы (тысячи часов), возможно достижение большого суммарного импульса.
В настоящее время основной причиной, ограничивающей ресурс УЗД, является эрозия разрядной камеры ускорителя. Этот процесс вызван воздействием высокоэнергетических ионов на материал стенки камеры. Скорость эрозии зависит от многих параметров: геометрии разрядной камеры и режимов работы ускорителя, топологии магнитного поля, состава, геометрии и температуры распыляемых частей и т.д. В связи со сложностью учета всех этих процессов не удается создать модель, адекватно описывающую характер изменения скорости эрозии, и для ее определения применяются экспериментальные методы.
Наиболее надежным способом определения ресурсных характеристик УЗД являются длительные ресурсные испытания. Продолжительность таких испытаний составляет тысячи часов, а стоимость сопоставима с затратами на разработку самого ускорителя. Существуют также методы укороченных ресурсных испытаний, позволяющие на основании информации о скорости эрозии разрядной камеры в течение некоторого начального времени работы осуществить прогноз ресурсных характеристик. При укороченных ресурсных испытаниях используется информация о скорости эрозии разрядной камеры ускорителя, полученная при помощи прямых измерений, то есть по изменению геометрии или массы распыляемых частей разрядной камеры. В связи с малостью скорости эрозии, для ее надежного определения требуется значительное время наработки ускорителя (порядка 100 ч).
Скорость эрозии зависит от большого количества параметров и выбор режима с наилучшими ресурсными характеристиками на ранних 3
этапах отработки УЗД является очень кропотливой и дорогостоящей задачей. В связи с этим актуальна задача разработки метода определения скорости эрозии разрядной камеры УЗД в режиме реального времени. Целью работы является исследование потока плазмы УЗД применительно к созданию метода определения скорости эрозии разрядной камеры УЗД в режиме реального времени. Основными задачами, решаемыми в работе являются:
Исследование локальных характеристик плазменной струи УЗД и определение модели интерпретации результатов спектроскопических измерений. Необходимо связать интенсивность излучения спектральных линий распыляемых элементов разрядной камеры УЗД со скоростью эрозии.
Разработка и создание стендовой системы, позволяющей проводить необходимую диагностику плазменной струи УЗД.
Экспериментальная проверка достоверности данного метода диагностики, определение его точности и границ применимости.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработана и внедрена процедура учета изменения коэффициентов скоростей возбуждения исследуемых спектральных переходов, что важно в условиях диагностики скорости эрозии диэлектрических стенок разрядной камеры УЗД. При определении изменения коэффициентов скоростей возбуждения использован метод "оптического термометра", при этом, интерпретация спектра нейтральной компоненты рабочего газа впервые для УЗД с диэлектрическими стенками разрядной камеры основана на современной столкновительно-излучательной модели, позволяющей повысить точность спектроскопической диагностики.
Предложен способ определения концентрации нейтральной компоненты рабочего газа вблизи среза ускорителя, основанный на экспериментальных данных о тепловых режимах разрядной камеры с последующим расчетом динамики нейтральной компоненты газа, истекающей из УЗД, и экспериментальных данных об энергетическом спектре ионов в плазменной струе за срезом ускорителя. Предложенный способ позволяет с высокой точностью определять концентрацию опорного элемента -нейтральной компоненты рабочего газа в области исследования.
Определен коэффициент, отвечающий за изменение скорости и состава распыляемых атомов бора, при изменении энергии распыляющих ионов, для чего проведены испытания УЗД при различных напряжениях разряда с измерением скорости эрозии прямым и оптическим методами, что позволило распространить
Sm прян, отн ед Sm опт (без учета Те), отн ед —д— Sin, опт
2 5 -| 1 1 1 1 1 1 1
. 1 5
0 -I 1 1 1 1 1 1 1 1
ир, в
Рис. 13. Зависимость скоростей эрозии, измеренных прямым и оптическим методами (с учетом изменения Те и без учета изменения Те) при изменении напряжения разряда УЗД
В заключении диссертации излагаются основные особенности работы, обобщаются полученные результаты и формулируются следующие выводы:
В работе решена задача создания метода бесконтактной диагностики скорости эрозии диэлектрических стенок разрядной камеры УЗД в режиме реального времени, имеющая существенное значение для успешной разработки новых образцов электроракетных двигателей на базе ускорителей с замкнутым дрейфом электронов. Предложенный метод диагностики позволяет значительно (в несколько раз) сократить время проведения испытаний по определению скорости эрозии на предварительных этапах отработки УЗД, а также позволяет в режиме реального времени отслеживать изменения скорости эрозии в ходе проведения ресурсных испытаний.
Спектроскопический метод диагностики скорости эрозии разрядной камеры ДАС модифицирован, верифицирован и применен на практике. Основная особенность предложенного метода состоит в использовании экспериментально измеренных интенсивностей спектральных линий распыляемых элементов разрядной камеры ускорителя и опорных линий нейтральной компоненты рабочего газа. Использование опорных линий
следующее объяснение полученных результатов: при худшей фокусировке потока ионов (коэффициент у ) большая их часть попадает на стенки разрядной камеры, что приводит к увеличению эрозии. В случае с утерг возможно обратное влияние: ион, попадающий на стенку разрядной камеры, вызывает эрозию и, отразившись обратно в виде нейтрала, может быть заново ионизован и ускорен, что отражается ухудшением у .
Рис. 12. Зависимость скорости эрозии от коэффициентов, отвечающих
за потери тяги, вызванные угловым и энергетическим распределениями
ионов плазменной струи УЗД.
При проведении тарировочных испытаний для определения
коэффициента k(U ) (см. выражение 1) была проведена серия
экспериментов с измерением скорости эрозии прямым и бесконтактным методами при трех режимах работы ускорителя с разрядными напряжениями Up = 300, 500 и 700 В (при постоянной мощности разряда). Полученная зависимость скорости эрозии представлена на рис. 13. Разница между двумя верхними кривыми на данном рисунке и дает искомую зависимость для коэффициента k(U' ). Получение данной
зависимости позволило распространить предлагаемый метод диагностики на исследование скорости эрозии диэлектрической разрядной камеры УЗД при различных напряжениях разряда.
предлагаемый метод на исследование скорости эрозии разрядной
камеры УЗД при различных напряжениях разряда.
Достоверность полученных результатов подтверждается
сопоставлением данных, полученных предложенным методом, с данными, полученными прямым методом измерения скорости эрозии разрядной камеры УЗД, а также путем анализа погрешностей измерений.
Практическая ценность результатов данной работы заключается в том, что предложенный метод диагностики позволяет значительно (в несколько раз) сократить время проведения испытаний по определению скорости эрозии на предварительных этапах отработки УЗД, а также позволяет в режиме реального времени отслеживать изменения скорости эрозии в ходе проведения ресурсных испытаний. На защиту выносятся:
1. Метод определения скорости эрозии диэлектрических стенок
разрядной камеры УЗД, основанный на использовании опорных
линий нейтральной компоненты рабочего газа и позволяющий
учитывать изменения коэффициентов скоростей возбуждения
исследуемых спектральных линий и изменение концентрации
опорного элемента в области исследования.
2. Результаты экспериментов по определению скорости эрозии
диэлектрической разрядной камеры УЗД в ходе ресурсных
испытаний и при изменении режимов работы ускорителей.
3. Результаты экспериментальных исследований по определению
коэффициента, отвечающего за изменение скорости и состава
распыляемых атомов бора, при изменении разрядного
напряжения ускорителя.
Апробация работы и научные публикации.
Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на 47"он, 48"он и 49"он открытой конференции Московского физико-технического института в 2004, 2005, 2006 гг.; ю"ом международном конгрессе двигателестроителей в 2005 г.; 17"он научно-технической конференции молодых ученых и специалистов в 2005 г.; 5" ом Российском семинаре "Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды" в 2006 г.; 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference в 2006 г.; конференции "Актуальные вопросы планетных экспедиций" в 2006 г; 35 International Electric Propulsion Conference в 2007 г; научных семинарах Центра Келдыша. Основное содержание и результаты диссертационной работы отражены в 14" печатных работах. Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 3"х глав и заключения, содержит -116 машинописных листов, включающих 60 рисунков, б таблиц и список используемой литературы из 106 наименования.
