Введение к работе
Актуальность работы. 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, облегчающее сопряжение с бортовой энергоустановкой и регулирование, 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 других двигателей.
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 процессами. Поэтому работы, направленные на решение перечисленных проблем, являются на сегодняшний день весьма актуальными.
Целью данной работы является разработка методов повышения времени безотказной работы катода МПД за счет снижения его рабочей температуры при использования присадки бария, и расширения диапазона докризисных режимов работы двигателя, ограниченного прианодными кризисными процессами.
В ходе исследования решались следующие задачи:
оценка диапазона мощностей двигателя, в котором целесообразно для повышения КПД использовать внешнее магнитное поле;
теоретический анализ влияния подачи присадки бария на степень покрытия барием поверхности катода и его температуру;
экспериментальное изучение влияния подачи присадки бария в катод на его температурный режим и характеристики МПД;
- экспериментальное исследование возможности расширения диапазона
докризисной работы двигателя за счет подачи в прианодную зону части расхода
рабочего тела в предварительно ионизованном состоянии.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана методика оценки диапазона мощностей МПД, в котором для повышения КПД целесообразно применение внешнего магнитного поля;
разработана методика оценки влияния подачи присадки бария на степень покрытия поверхности и температуру мультиполого катода;
- получены экспериментальные данные о влиянии присадки бария на
температурный режим работы катода и характеристики стационарного литиевого
МПД при различных способах подачи присадки;
- предложена и реализована модель стационарного двухступенчатого МПД
с возможностью подачи части расхода рабочего тела в предварительно
ионизованном состоянии в прианодную зону, получены рабочие характеристики
модели;
- экспериментально установлена возможность расширения диапазона
докризисной работы МПД при подаче части расхода рабочего тела в
предварительно ионизованном состоянии в прианодную зону, получены
экспериментальные данные о параметрах процессов, происходящих в рабочем
объеме модели стационарного двухступенчатого МПД при совместной работе
обеих ступеней, проведен анализ данных процессов.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
проведенная оценка диапазона мощностей, в котором целесообразно для повышения КПД использовать внешнее магнитное поле, позволяет на ранних этапах разработки двигателя решить вопрос о необходимости применения соленоида;
показано, что подача присадки бария в рабочую зону катода приводит к снижению температуры рабочей зоны на 400 градусов при сохранении неизменными интегральных характеристик двигателя. Такое снижение температуры способствует увеличению времени безотказной работы катода и двигателя в целом;
показано, что использование эффекта влияния подачи части расхода рабочего тела в предварительно ионизованном состоянии в прианодную зону позволяет расширить диапазон докризисной работы МПД. Установлены и проанализированы проблемы, возникающие при реализации подобной схемы,
предложены варианты их решения и направления дальнейших исследований подобных моделей.
На защиту выносятся:
Методика оценки влияния подачи бария на степень покрытия барием катода и температуру поверхности катода, и результаты исследований влияния подачи присадки бария в катод на температурный режим катода и характеристики двигателя.
Результаты исследований МПД с подачей в прианодную зону части расхода рабочего тела в ионизованном состоянии.
Методика расчета диапазона мощности МПД, в котором для повышения КПД целесообразно применение внешнего магнитного поля.
Достоверность и обоснованность научных результатов работы подтверждается хорошей корреляцией расчетных и экспериментальных данных, полученных при выполнении диссертации.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-технических семинарах в НИИПМЭ МАИ, на конференции «XXV академические чтения по космонавтике», 2001 г., на 3-й (2004 г.) и 4-й (2005 г.)международных конференциях «Авиация и космонавтика», на конференции «International Symposium on Energy Conversation Fundamentals». Istanbul, Turkey, 2004 r. Основное содержание работы изложено в 6 печатных работах (4 - тезисы докладов, 2 - статьи) и 2 научно-технических отчетах.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Объем работы 141 страница, 128 наименований использованной литературы.
