Содержание к диссертации
Введение
1. Исследования ресурсных характеристик 10
1.1 Ресурсные испытания СПД в разработках восьмидесятых годов 21
1.1.1. Условия проведения ресурсных испытаний Ml 00 21
1.1.2 Определение величины загрязнения двигателя 23
1.1.3 Влияние механической чистки изолятора разрядной камеры на параметры двигателей 28
1.2 Ресурсные испытания СПД в разработках девяностых годов 31
1.2.1 Оборудование стенда для ресурсных испытаний 34
1.2.2 Основные результаты ресурсных испытаний 37
1.3 Эрозия двигателя 46
1.3.1 Ресурс анодного блока 51
1.3.1.1 Ресурс разрядной камеры 54
1.3.1.2 Прогноз величины эрозии по торцу изолятора 58
1.3.1.3 Прогноз величины эрозии при укорачивании изолятора 62
1.3.1.4 Ресурс магнитной системы 67
1.3.1.5 Ресурс других элементов анодного блока 72
1.3.2 Эрозия катодов-компенсаторов 75
1.3.2.1 Ресурс геттера 83
1.3.2.2 Ресурс эмиттера 88
1.3.2.3 Эрозия поджигного электрода 90
1.4 Количество распыленного материала 92
1.5 Повышение ресурса анодного блока спд-100 98
1.6 Повышение ресурса катодов 101
1.7 Подобие параметров двигателей "параметрического ряда" при длительной работе 104
1.8 Прогнозирование параметров двигателей "параметрического ряда" при длительной работе 109
2. Методика расчета характеристик многорежимных СПД "параметрического ряда". исследования и разработка новых конструктивных схем двигателей .. 113
2.1 Методика расчета характеристик спд "параметрического ряда" 113
2.1.1 Модель параметров СПД 114
2.1.2 Методика выбора оптимального типоразмера двигателя 122
2.2 Исследования и разработка новых конструктивных схем двигателей 128
2.2.1 Направления совершенствования конструктивных схем двигателей 129
2.2.2 Совершенствование и исследования конструктивных схем двигателей 131
2.2.3 Модель СПД-WON с графитовыми вставками на базе СПД-100 132
2.2.4 Модели А61 и СПД-ЮОМА на базе СПД-100 137
3. Основные результаты разработки двигателей PPS1350 и СПД-140 147
3.1 Разработка двигателя PPS1350 148
3.1.1 Основные результаты ресурсных испытаний PPS1350 149
3.1.2 Эрозия двигателя 152
3.2 Разработка двигателя СПД-140 153
3.2.1 Параметры СПД-140 154
3.2.2 Диапазон регулирования СПД-140 158
3.2.3 Ресурсные характеристики СПД-140 161
3.2.4 Параметры струи плазмы СПД-140 177
Заключение. Основные научные результаты и их практическое значение 184
Приложения 200
- Влияние механической чистки изолятора разрядной камеры на параметры двигателей
- Подобие параметров двигателей "параметрического ряда" при длительной работе
- Методика выбора оптимального типоразмера двигателя
- Диапазон регулирования СПД-140
Введение к работе
Стационарные плазменные двигатели (СПД) находят все более широкое применение на борту современных космических аппаратов (КА). Число задач, решаемых СПД, увеличивается, и возрастают требования к тяговым, удельным и ресурсным характеристикам двигателей. В современных технических заданиях (ТЗ) на разработку электроракетных двигателей (ЭРД) одним из основных является требование обеспечения срока активного существования (САС) КА до 12... 15 лет, что возможно при существенном увеличении суммарного импульса и ресурса СПД до 3000 часов и более. Кроме того, в перспективных программах в ходе выполнения маневров требуется многорежимность работы СПД по мощности, тяге, скорости истечения рабочего тела. Эти требования существенно усложняют и удорожают разработку и создание новых двигателей, что определяет необходимость: исследования характеристик существующих СПД при длительной работе и выявление возможностей улучшения их параметров, а также разработки новых моделей СПД и прогнозирования их ресурса.
В результате успешного развития работ по СПД в СССР были созданы численные модели для описания процессов ионизации и ускорения, расчета таких интегральных характеристик СПД, как тяга и ионный ток, расчета эрозии стенок ускорительного канала. Разработаны полуэмпирические модели для расчета интегральных и ресурсных характеристик СПД "параметрического ряда", созданного в ОКБ "Факел". Но ни одна из разработанных к настоящему времени методик не позволяет описать динамику изменения тяговых характеристик двигателей при длительной работе, что необходимо при проведении инженерных расчетов применительно к современным задачам.
В качестве целей работы выбрано выявление возможностей повышения тяговой эффективности СПД при длительной работе и повышения ресурса двигателей, разработка рекомендаций по проектированию СПД перспективных схем с учетом необходимости обеспечения их длительной работы.
Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:
1. Анализ результатов длительных испытаний СПД для выявления закономерностей изменения тяговых характеристик при длительной (более 3000 часов) работе.
Исследование закономерностей эрозии наиболее нагруженных элементов конструкции двигателей (разрядной камеры, магнитной системы, катодов-компенсаторов) при наработках двигателя более 3000 часов.
Разработка методики прогнозирования износа керамических стенок разрядной камеры СПД с учетом теплового состояния элементов конструкции и тягоэнергетических характеристик двигателей, а также разработка методики прогнозирования изменения интегральных параметров при длительной работе.
Экспериментальные исследования лабораторных моделей двигателей перспективных схем с повышенными тяговыми характеристиками, прогнозирование их ожидаемого ресурса, разработка методики выбора начальных токов в катушках намагничивания и их изменения при длительной работе.
Внедрение предложенных методик и рекомендаций на основе полученных результатов в практические разработки.
Научная новизна работы состоит в том, что:
Впервые выявлены закономерности изменения параметров СПД в процессе длительных испытаний (более 3000 часов) в условиях криогенного вакуума (при давлениях в вакуумной камере не более 1,33*10"2 Па по воздуху) и показано, что динамика изменения тяговых характеристик различных двигателей "параметрического ряда" имеет общий характер, связанный с изменением конфигурации выходной части ускорительного канала, свойств стенок разрядной камеры и электропроводящих свойств анода-газораспределителя из-за напыления на них материала, распыленного с выходных участков стенок разрядной камеры.
Выявлены новые закономерности износа стенок разрядной камеры при больших степенях ее эрозии, а именно: показано, что характер износа качественно меняется при больших наработках - происходит выдвижение границы зоны эрозии ближе к срезу разрядной камеры и на последней стадии эрозия элементов конструкции может быть объяснена их распылением потоком ионов, обратным основному потоку.
Разработана методика расчета износа разрядной камеры с учетом теплового состояния элементов конструкции и тягоэнергетических характеристик СПД.
Новизна отмеченных результатов определяется тем, что до настоящего времени только в ОКБ "Факел" были проведены детальные исследования эрозионных процессов в СПД при их испытаниях длительностью до 9000 часов. Их достоверность подтверждается тем, что они получены на основе анализа результатов испытаний длительностью 2000...9000 часов более десяти образцов двигателей "параметрического ряда" различных типоразмеров.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
Разработаны рекомендации по повышению стабильности интегральных параметров двигателя (КПД, скорость истечения) на 30...50% при длительной работе за счет начального профилирования стенок ускорительного канала.
Выполнен прогноз ресурса (не менее 15000 часов) и предельного суммарного импульса тяги серийного двигателя СПД-100 (не менее 4,5 МНс), показана возможность их повышения в два раза за счет увеличения толщины керамики разрядной камеры, применения новых износостойких материалов и уменьшении эрозии катодов-компенсаторов, а также возможность повышения скорости истечения рабочего тела серийных СПД разработки ОКБ "Факел" свыше 20000 м/с при сохранении достаточно большого ресурса двигателей.
Разработаны и экспериментально исследованы модели двигателей перспективных схем с мощностью от 1,5 до 6,0 кВт с диаметрами наружной стенки ускорительного канала 100 и 140 мм, показана возможность повышения тяговой эффективности на (5... 10)%, возможность повышения скорости истечения рабочего тела свыше 30000 м/с, а также возможность обеспечения их большого ресурса, разработаны рекомендации по проектированию таких двигателей.
Отмеченные методики и рекомендации внедрены в проектных разработках ОКБ "Факел", выполненных для предприятий Росавиакосмоса (НПО им. С.А.Лавочкина, КБ "Салют" ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, НПО Машиностроения и др.), а также в разработках ОКБ "Факел" для зарубежных заказчиков Space System/Loral, SNECMA, ALCATEL, ASTRIUM, NASA в рамках программы работ совместного предприятия International Space Technology, Inc. (ISTI).
На защиту выносятся:
1. Модель изменения тягоэнергетических характеристик для "параметрического ряда" СПД при длительной работе.
Методика расчета износа стенок разрядной камеры с учетом теплового состояния конструкции и тягоэнергетических характеристик СПД "параметрического ряда".
Методика расчета типоразмера разрядной камеры многорежимного СПД, позволяющая выбрать рабочие точки по параметрам разряда, тяге, скорости истечения и суммарному импульсу.
Методика выбора начальных токов в катушках намагничивания и их изменения при длительной работе.
Результаты длительных стендовых испытаний СПД перспективных схем.
Указанные модели и методики разработаны лично автором, что подтверждается Заключением ОКБ "Факел" по данной диссертационной работе.
Апробация работы и научные публикации.
Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических советах и семинарах в ОКБ "Факел", Калининградском государственном университете, НИИПМЭ МАИ, Проблемном Совете №5 Росавиакосмоса, Конференции 5-го собрания металловедов России, Международном симпозиуме "Фракталы и прикладная синергетика", на 24-й и 26-й Международных конференциях по электроракетным двигателям (ГЕРС), на 33-й и 34-й Объединенных конференциях AIAA по двигателям, 52-ом Международном астронавтическом конгрессе. Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 17-ти печатных работах и 4-х патентах Российской Федерации.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Первая глава диссертации посвящена исследованию ресурсных характеристик и разработке методики прогнозирования ресурса СПД. Во второй главе рассматривается методика расчета параметров двигателей "параметрического ряда" СПД с учетом длительности их работы, приведены результаты исследований двигателей новых конструктивных схем, позволяющих повысить тяговые и ресурсные характеристики; разработаны методики определения стабильности параметров перспективных двигателей при длительной работе. В третьей главе представлены основные результаты разработки двигателей PPS1350 и СПД-140, при создании которых использованы как результаты математических моделей для расчета их параметров и изменения этих параметров при длительной работе, так и отмеченные выше результаты разработки и
исследований перспективных моделей двигателей с улучшенной топологией магнитного поля, защищенные патентами Российской федерации.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
В. Arkhipov, М. Day, N. Maslennikov, R. Gnizdor, S. Pridannikov, et al, "The Results of 7000 Hour SPTIOO Life Testing", paper IEPC-95-039, 24th International Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, 1995.
M. Bekrev, M. Day, S. Pridannikov, et al, "Integrated Test of an SPTIOO Subsystem", paper AIAA-97-2915,33rd Joint Propulsion Conference, Seattle, 1997.
R. Gnizdor, K. Kozubsky, A. Koryakin, N. Maslennikov, S. Pridannikov, M. Day, "SPTIOO Life Test with Single Cathode up to Total Impulse Two Million Nsec", paper AIAA-98-3790, Joint Propulsion Conference, 1998.
А. Тарасов, В. Мурашко, С. Приданников, "Вакуумная термическая обработка сварных и паяных магнитопроводов для технологических источников плазмы и ЭРД МТ", Сварочное производство, №11,1998, с. 23-27.
К. Kozubsky, S. Kudriavtzev, Y. Lysikov, S. Pridannikov, "Study of Gas-Electrical Terminal in SPT", paper ГЕРС-99-062, 26th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999.
K. Kozubsky, S. Kudriavtzev, S. Pridannikov, "Plume Study of Multimode Thruster SPT-140", paper IEPC-99-073, 26th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999.
V. Gopantchuk, K. Kozubsky, N. Maslennikov, S. Pridannikov, "Performance of Stationary Plasma Thruster PPS1350 and its Qualification Status in Russia", paper IEPC-99-086, 26th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999.
R. Gnizdor, V. Kim, K. Kozubsky, N. Maslennikov, V. Murashko, S. Pridannikov, "Performance and Qualification Status of Multimode Stationary Plasma Thruster SPT-140", paper IEPC-99-090,26th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999.
K. Kozubsky, N. Maslennikov, S. Pridannikov, A. Rumiantzev, "Study of Long Operation Capacity of Stationary Plasma Thruster SPT-100 at Power 3500 W", paper IEPC-99-120, 26th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999.
10. A. Tarasov, V. Murashko, S. Pridannikov, "Vacuum Heat Treatment of Welded and
Soldered Magnetic Circuits", Welding International, 13 (5), 1999, p. 409-412.
И. А. Тарасов, В. Панфилов, С. Приданников, "Вакуумная термическая обработка стали 10880 с эрозионно-стоикими покрытиями ", Металловедение и термическая обработка металлов, №10,2000, с. 15-18.
А. Нестеренко, С. Приданников, "Перспективы развития СПД с высоким удельным импульсом", доклад на НТС ОКБ "Факел", июнь 2000.
Р. Гниздор, А. Тарасов, С. Приданников, "Особенности структурных изменений стали 12Х18Н10Т в процессе термического воздействия плазмы ЭРД", Конференция 5-го собрания металловедов России, Краснодар, КубГТУ, 2001, с. 231-234.
G. Popov, V. Obukhov, V. Murashko, A. Koryakin, S. Pridannikov, et al, "Development of Electric Propulsion System Based on SPT-140 for "Phobos-Soil" Mission", paper IAF-01-Q.3.b.05,52nd International Astronautical Congress, Toulouse, France, October 2001.
P. Гниздор, E. Наймановская, С. Приданников, А. Тарасов, "Компьютерное моделирование и анализ самоорганизации поверхностей при воздействии плазмы ЭРД на сталь 12Х18Н10Т", Сборник трудов "Фракталы и прикладная синергетика", Москва, МГОУ, 2001, с. 164-165.
С. Приданников, А. Румянцев, "Ресурсные характеристики стационарных плазменных двигателей", Проблемы математических и физических наук: Материалы постоянных научных семинаров. - Калининград: Изд-во КГУ, 2001, с. 112-114.
17. Мурашко В.М., Тарасов А.Н., Приданников С.Ю., "О конструкторско-
технологических особенностях применения термостойких керамик на основе BN". Сборник
"Итоги диссертационных исследований", М.: РАН, 2003 (в печати).
Гопанчук В.В., Гниздор Р.Ю., Козубский К.Н., Приданников СЮ. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов. Патент РФ на изобретение №2188337 RU, 12.07.2000.
Гопанчук В.В., Гниздор Р.Ю., Козубский К.Н., Приданников СЮ. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов. Патент РФ на изобретение №2188521 RU, 12.07.2000.
Гопанчук В.В., Козубский К.Н., Мурашко В.М., Приданников СЮ. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов. Патент РФ на изобретение №2191291 RU, 04.10.2000.
Гопанчук В.В., Гниздор Р.Ю., Козубский К.Н., Приданников СЮ. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов. Патент РФ на изобретение №2202049 RU, 04.10.2000.
Влияние механической чистки изолятора разрядной камеры на параметры двигателей
При расчете скорости осаждения принималось, что пленка загрязнения состоит из материала изолятора с плотностью 2,0 г/см3. Следует отметить, что точность проведенных измерений скорости напыления невысока, так как за указанное время испытаний общий прирост массы образцов составляет 0,10...0,15 мг, а погрешность измерения массы составляла ±0,05 мг, но полученные взвешиванием результаты хорошо согласуются с расчетом средней скорости нарастания пленки при прямом измерении ее толщины.
Отмечено, что керамические датчики загрязнения, установленные в средней части загрязненной зоны изоляторов, дают тень, направленную в сторону анода. В пределах тени интенсивность загрязнения нарастает от датчика к аноду. Это свидетельствует о том, что источником загрязнения является выходная часть разрядной камеры. На изоляторах в местах установки датчиков остались незагрязненные отпечатки, которые повторяют форму датчиков. Запыляются и участки под керамическими датчиками через отверстия диаметром 1 мм. Это означает, что среди загрязняющих частиц есть частицы, летящие поперек разрядной камеры (это могут быть и частицы, отраженные от противоположной стенки разрядной камеры).
В качестве источников загрязнения можно выделить следующие: пары вакуумного масла в объеме вакуумной камеры (продукты их термического разложения); - выделение загрязнения из элементов конструкции двигателя; - распыление конструкционных материалов вакуумной камеры плазменной струей; - распыление изоляторов разрядной камеры. Наличие паров вакуумного масла в остаточной атмосфере вакуумной камеры обнаруживается по продуктам их разложения масс-спектроскопическими исследованиями даже в камере, оборудованной криогенными и турбомолекулярными насосами. Значительно больше паров масла содержится в камерах, откачиваемых паромасляными насосами, особенно без азотных ловушек. Пары вакуумного масла разлагаются в струе плазмы на отдельные элементы, и продукты разложения могут быть источником загрязнения поверхности разрядной камеры и анода. Пары органических составляющих атмосферы вакуумных камер оказывают влияние на результаты испытаний, если их давление превышает 10"8ммрт.ст. За 1000 часов на стенках разрядной камеры может образоваться налет, электрическое сопротивление которого может быть менее 1 Ом, что меньше сопротивления разрядного промежутка. При длительных испытаниях устранение неблагоприятного воздействия на параметры двигателей и восстановление исходных значений параметров производилось путем механического удаления загрязнения. Такая чистка изолятора и анода при работе в камерах с паромасляной откачкой без азотных ловушек производилась через несколько десятков часов наработки. В камерах с паромасляной откачкой и азотными ловушками эта операция выполняется обычно через 100... 150 часов, хотя имеются наработки и до 300 часов. В камере с криогенной и турбомолекулярной откачкой была получена наработка длительностью 450 часов без чистки разрядной камеры. В составе изолятора разрядной камеры (БГП-10) может содержаться до 1,5...2,0% примесей: углерод, карбид бора, железо, алюминий, титан и др. Поскольку эти элементы обнаруживаются в составе пленки загрязнения, то представляется возможным ее образование за счет диффузии примесей из толщины изолятора при длительной работе двигателя. Однако это предположение может быть отвергнуто по следующим соображениям: - на торцевой заанодной части разрядной камеры загрязнения не обнаруживаются -эта часть камеры как бы защищена анодом; - под образцами, установленными на стенках разрядной камеры, после работы двигателя поверхность изолятора остается чистой, тогда как остальные поверхности изолятора покрыты темным налетом. Следовательно, источник загрязнения является внешним по отношению к месту образования налета. При высокой температуре конструкции работающего двигателя из узлов могут выделяться летучие компоненты. Катушки намагничивания при рабочих температурах выделяют летучие составляющие. При их нагреве в вакууме до температуры 450С наблюдалась потеря массы, которая достигала 1,8% по отношению к массе неметаллических комплектующих. После прогрева в течение 3 часов процесс испарения массы прекратился, и масса стабилизировалась. Таким образом, влияние загрязнений от катушек может проявиться во время первых включений двигателя на приемочных испытаниях. После проведения приемочных (контрольно-технологических) испытаний разрядная камера двигателя очищается, и во время длительной наработки катушки не могут рассматриваться как источник загрязнения.
Наличие в составе загрязняющих пленок железа, хрома и никеля свидетельствует о распылении ускоренными ионами конструкционных материалов вакуумной камеры, изготовленной из нержавеющей стали. Для ресурсных испытаний предпочтительнее вакуумные камеры большого размера, так как в этом случае двигатель виден со стороны распыленной поверхности под меньшим телесным углом, чем в камере малого размера. Измерения, проведенные Г. Кауфманом во FRR /45/, дали скорость роста пленки за счет распыления конструкционных материалов вакуумной камеры около 0,02 А/с, что существенно меньше полной скорости образования пленки на изоляторах и аноде. Расчет толщины пленки металлизации, образовавшейся на элементах конструкции двигателя, стоявшего рядом с работающим СПД-100 №58 во время 450-часовых испытаний в ОКБ "Факел" на стенде с криогенной откачкой, дал величину скорости напыления около 0,012 А/с, что сравнимо с результатами Г. Кауфмана.
Таким образом, распыление конструкционных материалов вакуумной камеры, давая вклад в загрязнение изоляторов и анода СПД, не является основным источником загрязнения. Однако металлы в пленках могут изменить поверхностную проводимость стенок разрядной камеры. Расчет электрического сопротивления пленки металлов на стенках разрядной камеры, толщина которой соответствует 1000 часам наработки, дает величину сопротивления порядка 0,1 Ом при условии покрытия стенок сплошным слоем чистого металла. Эта величина значительно меньше сопротивления разрядного промежутка. В реальных условиях стендовых испытаний образуются не чистые пленки металлов, а композиции из металлов, керамики и углеводородов, сопротивление которых должно быть больше.
Для большинства конструктивных материалов нижний порог распыления ионами составляет 20...30 эВ. Достигнув в процессе ускорения в разрядной камере двигателя энергии этой величины, ионы при выпадении на стенки разрядной камеры распыляют их, образуя зону эрозии в выходной части шириной 5...8 мм. Коэффициент распыления материалов в струе плазмы практически линейно возрастает с ростом энергии ионов, поэтому скорость распыления стенки увеличивается к выходу разрядной камеры. Этот коэффициент также зависит от угла падения ионов на стенку. В процессе эрозии изолятора и по мере формирования развитого профиля эрозии углы падения ионов на распыляемую стенку увеличиваются, достигая значений, при которых коэффициент распыления становится малым; это проявляется в снижении скорости эрозии с увеличением длительности испытаний /33,34/.
Подобие параметров двигателей "параметрического ряда" при длительной работе
Дополнительную защиту катода можно обеспечить за счет диэлектрического покрытия поджигных электродов. В катоде КН-3 торцевая часть поджигного электрода покрыта слоем окиси алюминия толщиной до 0,5 мм. Использование диэлектрического покрытия препятствует заметному увеличению энергии ионов, так как каждый участок его поверхности находится под плавающим потенциалом и разность потенциалов между диэлектриком и прилежащей плазмой невелика. Поэтому для уменьшения эрозии поджигного электрода необходимо увеличение толщины диэлектрического покрытия до 1,5...2,0 мм.
В качестве третьего способа увеличения ресурса катодов-компенсаторов предлагается схемное решение. При этом выбор работающего катода при эксплуатации двигателя следует делать с учетом направления холловского тока. Эффект защиты катода может быть усилен за счет азимутального изменения плавающего потенциала, когда у работающего катода потенциал плазмы несколько ниже, чем у окружающего пространства, поэтому и скорость его эрозии ниже. Это позволит дополнительно уменьшить энергию ионов /77/. Данные рекомендации были внедрены в двигатель PPS1350 и проверены при длительных испытаниях этого двигателя в ОКБ "Факел".
В конструкции двигателей PPS1350, СПД-140 и СПД-100С уже внедрены предложения, направленные на повышение ресурса катодов-компенсаторов и подтвердившие свою эффективность и практическую ценность при длительных испытаниях (более 7200 ч) /12...14, 78/. Например, результаты, подтверждающие значительное повышение эрозионной стойкости катодов-компенсаторов за счет изменения их положения и схемных решений показаны на Рис. 78...Рис. 80. В двигателях PPS1350 и СПД-140 при суммарном импульсе тяги 1,62 МН-с и 1,76 МН-с, соответственно, практически отсутствует эрозия поджигного электрода у основного и резервного катодов-компенсаторов, обнаруженная в ходе длительных испытаний SPT-100 #03 (суммарный импульс тяги 1,68 МН-с).
При модернизации конструкции СПД-100, аналогичной PPS1350, и увеличении толщины диэлектрического покрытия, можно прогнозировать ресурс поджигного электрода катода КН-ЗВ не менее 15000 часов без его разрушения. Таким образом, реализация этих дополнительных мер по уменьшению эрозионных процессов элементов катода позволит существенно увеличить ресурс катода КН-ЗВ и обеспечит ресурс в целом его конструкции, по крайней мере, 15000 час и обеспечит суммарный импульс тяги двигателя 4...5 мН-с при работе на одном катоде.
Как показано в разделе 1.1 длительные испытания в 70...80-х годах не позволяли выявить тенденции в изменении параметров, т.к. испытания велись в ограниченных условиях по имитации космического пространства: вакуумные камеры малых размеров с диффузионной откачкой, периодические вскрытия вакуумных камер. В 90-х годах (раздел 1.2) были получены уникальные результаты длительных непрерывных испытаний двигателей СПД в криогенном вакууме длительностью 7424 ч и 9066 ч, обеспечивших высокую воспроизводимость их параметров (Рис. 24): различия в значениях тяги двух двигателей SPT-100 #03 и #05 не превышают 1,5% и характер изменения тяги этих двигателей идентичен с присущими им четырьмя характерными участками.
В данном разделе обобщены имеющиеся данные по длительным испытаниям двигателей СПД "параметрического ряда" ОКБ "Факел", выполнен анализ изменения параметров двигателя СПД при длительной работе, предложена модель изменения тяги при длительной работе СПД, описывающая ее взаимосвязь с эрозией элементов конструкции и процессами накопления собственных продуктов распыления в разрядной камере. Эта модель основана на представленных выше результатах длительных непрерывных испытаний в криогенном вакууме.
Упомянутая модель описывает динамику изменения тяги (F) при длительной работе, отнесенной к тяге в начальный момент испытаний (РНАЧ) В безразмерном виде. На Рис. 81 в качестве примера показано, что изменение тяги двигателя SPT-100 #05 во времени описывается с точностью ±2,5% предложенной аппроксимирующей функцией:
Отклонения в суммарном импульсе тяги, рассчитанные по зависимости (15) для двух коэффициентов Ь, не превышают 0,1% от экспериментальных значений, но для дальнейшего анализа воспользуемся моделью, где Ь 1, как более точно описывающего характерные участки изменения тяги.
Нами исследовано изменение тяги десяти двигателей СПД "параметрического ряда" различных типоразмеров (70 и 100 мм) и различной мощности (650, 1350 и 1500 Вт) в зависимости от времени работы и от выработки суммарного импульса тяги. Указанные двигатели (Табл. 4) проходили испытания на различных этапах наземной отработки в различных стендовых условиях (масляный и криогенный вакуум при давлениях от 10"4 до КГ6 мм рт. ст. по воздуху). Конечно, следует отметить, что наиболее полная информация имеется по двигателям SPT-100 и PPS1350, испытывавшимся в криогенном вакууме, когда исключены или минимизированы воздействия от условий испытаний, и двигатели не подвергались механической чистке разрядной камеры. В этом случае у двигателей SPT-100 (см. раздел 1.2.2 и /47...50,36...54/) и PPS1350 /13, 14, 78/ имеются четко выраженные четыре участка в изменении тяги от времени. Но даже с учетом "ограниченности" имеющихся данных по двигателям М70 /79, 80, 81/, М70БР /82, 83/ и М100 (см. раздел 1.1.3 и /26, 27/) -эти двигатели также имеют описанные выше характерные участки изменения тяги при длительной работе.
Воспользуемся выражением (15) и покажем изменения отклонения тяги за время испытаний от начального значения (F/FHAH) на примере пяти различных двигателей: СПД-70, СПД-100, PPS1350, имеющих наработку от 1800 до 7500 часов (Рис. 83). Разброс отношения F/FHA4 ДЛЯ всех этих двигателей укладывается в диапазон ±6% (0,94...1,1) Разброс отклонений значений тяги для каждого из пяти двигателей составляет ±2,5% как и для двигателя SPT-100 #05 (Рис. 81), что находится в пределах погрешности измерения тяги.
Методика выбора оптимального типоразмера двигателя
Подставив в выражение (47) значение приведенного суммарного импульса fw =0,37 МН-с в "критичный" момент времени 1300 ч для СПД-100; Ai=0,I6 (см. выражение (19)); тягу для СПД-140 280 мН, получим значение tKp=2300 ч. Т.е. можно ожидать, что начало улучшения параметров SPT-14G начнется после наработки 2300 ч исходя из рассматриваемой гипотезы о взаимосвязи изменения параметров при длительной работе и загрязнением канала двигателя продуктами распыления керамики разрядной камеры.
Из Рис. 86 видно, что в "критичное" время для СПД-100 объемная скорость эрозии равна 0.00514 см3/ч. Для наработки 2300 ч двигателя СПД-140 объемная скорость эрозии также равна 0,00514 см /ч. Таким образом, применив подходы подобия к характеристикам и процессам эрозии в длительной работе, получаем одну и ту же величину времени - 2300 ч, соответствующую "критичному" времени для СПД-140.
Сравнение изменения тягоэнергетических параметров СПД-100 и СПД-140 в длительной работе и после моделирования профилей эрозии (2100; 3000 и 4000 часов) при мех обработке показано на Рис. 129, где в виде горизонтальной линии нанесено требование к уровню характеристик на момент достижения квалификационной наработки (EOL).
Как видно из Рис. 129 изменение параметров двух двигателей при длительной наработке имеет схожие тенденции, подтверждающий гипотезу, что в начальный момент наработки при интенсивном загрязнении разрядной камеры распыленной керамикой происходит снижение параметров. Отмеченное снижение параметров не наблюдается в дальнейшем при длительной работе СПД-100, PPS1350 и после профилирования разрядной камеры СПД-140, когда существенно снижаются линейная и объемная скорости эрозии.
Для повышения стабильности параметров СПД-140 в длительной работе и для сокращения значения "критичного" времени, предлагается выполнить начальное профилирование наружного и внутреннего изоляторов. Этот предлагаемый профиль отмечен на Рис. 127, как "новый начальный профиль". Данное профилирование по расчетам позволит снизить объем загрязнений от двигателя на 18,5 см3 или 40% от общего объема распыления керамики за время наработки 7200 часов при снижении расчетного ресурса по толщине изолятора на торце камеры всего лишь на 9%. Эта величина для СПД-140 не является критичной, т.к. размеры разрядной камеры имеют запасы на эрозию по укорачиванию изолятора в сторону магнитных полюсов и анода, аналогично, как и в СПД-100.
При начальном профилировании объемная скорость эрозии будет снижена в 3 раза, что позволит повысить стабильность параметров в длительной работе на 30...50% (процесс снижения тяги за первые 1500 часов) и стабилизировать значения тяги в диапазоне 280...285 мН (см. Рис. 129). В этом случае критическая точка для SPT-140 будет соответствовать наработке двигателя 1000...1600 часов с последующим ростом тяги до 290 мН. Подтверждение такого прогноза было получено при модельных испытаниях с укороченными временными базами на ДМ2, ДМ4 и ДМ6 с проточенными камерами, где была апробирована и подтверждена предложенная методика повышения стабильности параметров СПД в длительной работе. Следует отметить, что профилирование разрядной камеры может быть выполнено не только на внутренних поверхностях канала, но и на наружных стенках разрядной камеры /141/. Выше было показано, что в нескольких программах двигатель СПД-140 планируется использовать как многорежимный с диапазоном возможной работы от 2,0 до 6,0 кВт при различном напряжении разряда в диапазоне 300...600 В. Результаты прямых экспериментов и выполненные тепловые расчеты показали, что с ростом разрядной мощности выше 4,5 кВт температура стенок разрядной камеры (Рис. 130) возрастает до величины, когда начинается экспоненциальный рост термозависимого коэффициента эрозии (Рис. 99), что снижает ресурс керамики.
Разработка СПД-140 и других перспективных СПД со скоростями истечения на уровне 30 км/с (удельный импульс -3000 с) и повышенными требованиями к суммарному импульсу показали, что применяемая керамика БГП-10 не обеспечивает длительную высокоэффективную работу СПД. Например, при напряжениях разряда выше 600 В перегревается керамика разрядной камеры и ухудшаются параметры двигателя из-за роста электронной составляющей тока разряда. Вероятной причиной такого изменения является состав БГП-10, который содержит значительный процент двуокиси кремния (до 50% БіОг), физические свойства которого не обеспечивают работоспособность в плазме при высоких температурах. Возможно, это происходит с ростом коэффициента вторичной электронной эмиссии материала /142/ в рассматриваемых условиях, но это требует дополнительных исследований.
Поэтому в рамках диссертационной работы были выполнены исследования новых материалов разрядных камер с целью снижения возможного риска усиления термозависимой эрозии (Рис. 99) и повышения ресурса двигателей, и удельного импульса СПД.
На первом этапе были выполнены исследования американской нитридборной керамики АХ05, производства Saint-Gobain США, с более высокими эрозионными (в два раза лучше БГП-І0) и тепловыми характеристиками /143/. Испытания выполнялись в составе двигателя СПД-100. Для исследования влияния данного материала на тягоэнергетические и вольтамперные характеристики СПД были изготовлены выходные части разрядной камеры. Изучение эрозионных характеристик материала велось на небольших образцах, помещаемых в канал разрядной камеры (см. Рис. !8), путем взвешивания и измерения образцов после экспозиции в плазменной струе работающего двигателя. В исследуемом диапазоне напряжений до 450 В параметры двигателя с разрядными камерами из разных материалов не отличались, а эрозионные характеристики образцов материала АХ05 оказались в 1,5...2,0 раза лучше, чем у БГП-10. Эти исследования позволили применить данных материал в составе высокоимпульсного СПД и достичь на этом двигателе напряжения разряда 1200 В и удельного импульса 3700 с /89 и 90/, чего не удавалось достичь с керамикой БГП-10.
На втором этапе исследований проводились прямые длительные испытания керамики АХ05 в составе двигателя СПД-140 при наработке до 300 часов. Параметры двигателя СПД-140 ДМ7 с материалом АХ05 в длительной работе стабильнее параметров СПД-140 ДМ2 с керамикой БГП- І 0, показанных на Рис. 131 и ранее на Рис. 129.
Диапазон регулирования СПД-140
Обращают на себя внимание произошедшие в ходе испытаний изменения во внешнем виде трех материалов и то, что наименьшее поверхностное изменение наблюдается у материала СОО. Если принять коэффициент распыления БГП-10 за единицу, то, для керамики АХ05 был получен коэффициент распыления в 2,2 раза меньший (ранее в других экспериментах 1,4...2,0), а для материала СОО в 1,4 раза меньший. С учетом того, что плотность у СОО меньше, чем у АХ05, эти результаты вполне объяснимы (см. выражение (41) в разделе 2.2). Некоторые физико-технические свойства борнитридных керамик, полученные от изготовителей или измеренные при исследованиях в ОКБ "Факел", приведены в Табл. 35.
Как показывает анализ данных в Табл. 35, керамики АХ05 и С00 по отношению к БГП-10 обладают большей пористостью, что накладывает дополнительные требования к подготовке двигателя к включению после контакта с атмосферой. Это подтверждают и результаты испытаний разрядных камер из данных керамик в составе СПД-140 и СПД-70. Из Табл. 35 видно, что керамики АХ05 и С00 имеют преимущество по коэффициенту теплопроводности, особенно при повышении температуры. Это позволяет более эффективно отводить тепло из канала разрядной камеры, что подтверждается испытаниями в СПД-70, где при одинаковых параметрах разряда температура разрядной камеры из С00 была на 100С ниже, чем у БГП-10. Замена БГП-10 на АХ05 или С00, наряду с большими допустимыми рабочими температурами, позволяет снизить риск развития термозависимой эрозии и повысить ресурс разрядных камер.
Т.е. по результатам испытаний опытных образцов можно сказать, что в России имеется нитридборная керамика, которая по эрозионным свойствам почти в полтора раза лучше БГП-10 и, что имеется возможность использования в СПД отечественных нитридборных керамик, не уступающих по характеристикам лучшим зарубежным образцам. Очевидно также, что необходимо продолжение данных исследований.
В качестве примера, иллюстрирующего влияние мощности разряда и свойств материала (эрозионных и термозависимых) на ресурсные характеристики, выполним расчет эрозии разрядной камеры СПД-140 при работе с различной разрядной мощностью на примере программы "Фобос-Грунт". За критерий эрозионного процесса примем выработку толщины изоляторов (В„ и В„) за счет радиальной эрозии (гв и г„) по срезу разрядной камеры (см. Рис. 44).
Для программы "Фобос-Грунт" расчет эрозии и прогноз ресурса двигателя усложняется тем, что двигатель на орбите Земли начинает работать с мощности 6,0...6,5 кВт, а к орбите Марса мощность снижается до 2,5...3,0 кВт. Для расчета прогноза эрозии керамики необходимо учитывать изменения мощности ЭРДУ от времени полета и изменения параметров двигателя от мощности. Воспользовавшись зависимостью (46) построим прогноз эрозии ги и гн внутреннего и наружного изоляторов для двух вариантов изменения мощности при полете к Марсу. Такой расчет прогноза эрозии СПД-140 для БГП-Ю показан на Рис. 137. Выражение (46) позволяет выполнить расчет и для другого случая, например, при применении другого материала изолятора, если принять в качестве базовых уже известные коэффициенты для БГП-10. Выполнив пересчет коэффициентов, отражающих изменение мощности, КПД, температуры, материала изолятора, входящих в выражение (46), получим кривые прогноза эрозии для керамики АХ05 (Рис. 137), приняв коэффициент распыления меньший в 1,7 раза по отношению к БГП-10. На Рис. 137 показана линия, обозначающая запас стенки изолятора разрядной камеры по толщине на срезе керамики (В„ и В„ на Рис. 44).
Таким образом, из расчетов, показанных на Рис. 137, видно, что СПД-140 имеет запас по времени протекания эрозионных процессов, и суммарный импульс тяги двигателя можно ожидать не менее 9 МНс, т.е. один СПД-140 может выработать полный суммарный импульс тяги, требуемый для программы "Фобос-Грунт". В случае применения перспективных износостойких керамических материалов АХ05 или С00 двигатель имеет двукратный запас керамики на эрозию, что позволяет снизить сухую массу ЭРДУ на 10 кг или на 7%, сократив количество СПД-140 с трех до двух и увеличив при этом массу полезной нагрузки.
Определение пространственного распределения параметров струи плазмы: плотности ионного тока и энергетического спектра ионов при длительной наработке имеет большое значение для определения возможного механического, теплового, эрозионного и загрязняющего воздействия при работе СПД на элементы конструкции и подсистемы КА. Т.к. двигатель СПД-140 является многорежимным по разрядным параметрам и работает в диапазоне токов 6... 15 А при мощностях 2...6 кВт, то исследования проводились на нескольких режимах работы /146/.
Измерения параметров ускоренных ионов выполнялись автором при работе демонстрационных образцов СПД-140 на стенде ОКБ "Факел" с диаметром рабочего отсека вакуумной камеры 2,5 м и длиной 6 м (Рис. 17). Вакуумная система стенда 71-3-90 для увеличения быстроты откачки Хе была модернизирована дополнительными двумя гелиевыми криоадсорбционными насосами (Рис. 23), установленными в торцевой части рабочего отсека. При испытаниях давление в вакуумной камере составляло (1,6...3,2) 10"5ммрт. ст. (по Хе) при изменении значений тока разряда в диапазоне 6,67...15 А, соответствующих мощности разряда 2...4,5 кВт при напряжении разряда 300 В.
Параметры струи плазмы (плотность тока ускоренных ионов) измерялись подвижным односеточным зондом-энергоанализатором (RPA), который перемещался специальным механизмом вдоль окружности с радиусом 1 м, расположенной в горизонтальной плоскости, проходящей через ось двигателя и имеющей центр в точке пересечения оси двигателя с плоскостью среза разрядной камеры (см. Рис. 138). Зонд перемещался в передней полусфере двигателя в диапазоне углов от -90 до +90 градусов. Зонд-энергоанализатор, конструкция и схема подключения которого показаны на Рис. 139, имел "плавающий" корпус, сетку с отрицательном смещением потенциала 10...25 В относительно стенок вакуумной камеры для отсечки электронов плазмы и коллектор, на котором задавалось положительное смещение потенциала относительно корпуса вакуумной камеры. При измерениях распределения плотности ионного тока коллектор имел положительное смещение 25...50 В, основные измерения выполнялись при потенциале коллектора 20 В (Рис. 140а). При исследованиях энергетического спектра ионов потенциал смещения на коллекторе изменялся до +300 В (ограничение по техническим причинам).
