Введение к работе
Актуальность темы:
Преимущества электроракетных двигателей (ЭРД) перед другими тяговыми системами становится все более весомым с увеличением срока активного существования космических аппаратов (КА). Накопленный опыт эксплуатации таких двигателей на большом количестве КА и перспектива существенной экономии массы аппарата за счег снижения запаса рабочего тела при выполнении ряда транспортных задач обуславливают растущий интерес фирм-разработчиков КА к исполь-зовашпо ЭРД. Кроме того, существуют космические перелеты, которые невозможно ВЬІПОЛШІТЬ с помощью традиционных двигателей и реализация которых доступна только с ЭРД.
В настоящее время на большинстве перспективных КА различного назначения уже используются или планируются к установке электроракетные двигатели. Расширение применения ЭРД в космической технике требует повышения уровня их характеристик. Актуальной становится проблема создания ЭРД с наработкой более 10... 15 тысяч часов и повышенным удельным импульсом до 30...35км/с с минимальной ценой тяги. В нашей стране эта задача, в частности, решается с использованием стационарных плазменных двигателей (СПД). При этом от разработчиков СПД требуется решения как традиционных вопросов для данного двигателя - повышения уровня характеристик и увеличения времени безотказной работы (обычно для упрощения называемого «ресурсом»), так и задач интеграции его с конструкцией и системами КА. В частности, становятся актуальными задачи повышения фокусировки струи СПД и обеспечения стабильности интегральных параметров в течение назначенного ресурса работы КА. Как показывает практика отработки СПД, решение этих проблем в силу особенностей рабочего процесса в двигателе взаимосвязано между собой.
В работе много внимания уделено длительной работе СПД и безотказности его функционирования. В связи с этим необходимо уточнить, что понимается под термином «ресурс» (предельное состояние) данного двигателя. Для СПД критерием отказа, помимо прямого разрушения в результате случайного воздействия извне, является невозможность обеспечения заданного уровня выходных характеристик, например, тяги или удельного импульса вследствие деградации свойств отдельных элементов двигателя (особенно при больших временах работы). Традиционно СПД подразделяют на «анодный блок» [включающий разрядную камеру (РК) и анод-газораспределитель], магнитную систему и катод-компенсатор. Отказы, связанные с магнитной системой и катодом, носят в основном случайный характер. При длительной работе двигателя наибольшее влияние на деградацию уровня выходных характеристик оказывает разрушение под действием ионного распыления стенок разрядной камеры. В работе под понятием «время безотказной работы двигателя» понимается период его функционирования с уровнем тяги в заданном диапазоне (например, ±5%). Практика показывает, что предельное состояние СПД - невозмож-
ч'""\
ность обеспечивать заданный уровень тяги, Наступает при полном разрушений выходных кромок разрядной камеры и эрозии полюсов магнитной системы до ~1/3 их толщины. Исходя из этого, основное внимание в работе уделялось именно времени полного разрушения кромок разрядной камеры, как критерию отказа (выход двигателя в предельное состояние) - «ресурсу».
Повышение уровня характеристик двигателя, как было ггоодемОпстрировано в МАИ на лабораторных моделях СПД, возможно при изменении условий взаимодействия плазмы со стенками разрядной камеры. При этом было показано, что реализуется как достижение лучшей фокусировки ионного потока, так и повышение эффективности двигателя. Однако создание прототипов таких двигательных модулей осложнялось нестабильностью во времени их работы с повышенными характеристиками (ухудшение работы происходило на первых часах испытаний, существенно раньше, чем у традиционных моделей). Для СПД характерно, что в ходе длительных испытаний изменение тяги (удельного импульса) имеет тенденцию плавного снижения. Первоначально это связывалось с условиями, проведения наземных испытаний - с осаждением загрязняющих пленок на поверхности керамических стенок разрядной камеры. Эти покрытия образуются в основном из-за паров рабочей жидкости вакуумних насосов и материала, распыленного со стенок вакуумной камеры. Даяные загрязнения изменяли фюические свойства Поверхности и приводили к (развитию неустойчивостей в разряде, сіпшая тем самым уровень интегральных характеристик двигателя. Образующиеся на поверхности стенок разрядной камеры пленки устраняли периодическими (раз в , несколько сотен часов) чистками, полагая, что при этом не нарушается адскватпость условий испытаний натурной эксплуатации. Это утверждеііие базировалось на том, что при реальной эксплуатации в космосе подобпых зафязняющих покрытий образовываться не должно, и эта проблема может быть решена при улучшении условий испытаний. Однако перевод, испытаний в камеры большого диаметра с криогенными системами откачки не снял проблемы стабильности характеристик СПД. Изменилась динамика, но характер сохранился. Кроме того, проявилась тенденция резкого ухудшение характеристик за первые несколько сотен часов, а затем их восстановление до почти первоначального уровня. Поскольку это повторялось при испытаниях всех моделей из «параметрического ряда» СПД, было сделано предположение, что данное явление связано с условия-ми «приработки» керамического изолятора разрядной камеры а является характерной чертой рабочего процесса в двигателе. Однако в последнее время при переходе на повышенные удельные импульсы изменепяе характеристик СПД уже не удается объяснить в рамках принятых предположений,
В ходе летной эксплуатация СПД также отмечается снижение уровня интегральных характеристик и появлеіше нестабшіьіюстей в разряде, приводящих к периодическому отключению двигателя в результате возникновения перегрузки в цепях электропитания. Данные перегрузки носят апериодический характер и не приводят к отказу двигателя, ко вносят проблемы в фуіікциони-
ровашіе систем электропитания. П целом опыт эксплуатации СПД показывает, что хотя явной коррсяящш со стендовыми испытаниями не прослеживаегся, но физика явлений имеет общую природу.
Исходя из вышеперечисленного, в рачках решения проблемы повышения характеристик СПД необходимо было сосредоточиться на разработке моделей двигателей с пониженной чувствительностью к разлігчньїм загрязняющим покрытиям.
Частичное объяснение тенденций снижения характеристик СПД связано с изменением геометрии стенок ускоригельного канала разрядной камеры, вызываемое иоїшьім распылением. Одним из очевидных способов решения проблемы является использование диэлектрических материалов с малым коэффициентом распыления. Однако многократные попытки применить в СПД существующие тины керамик не привели к желаемому результату. При использовании болышш-ства известных керамических материалов наблюдалось либо снижение характеристик двигателя, либо повышенный износ стенок разрядной камеры. Наиболее оптимальные характеристики были получены при использовании керамик на основе нитрида бора. Наивысшей стойкостью характеризуется чистый нитрид бора, однако данный материал обладает низкой конструкционной прочностью, поэтому в СПД нашли применение керамические композиции из нитрида бора и оксида крошил (типа ПГП). В настоящее время, нродемонстрироваїтое в ходе длительных наземных испытаний, огневое время модели СПД-100 (мощностью 1,35кВт) с разрядной камерой из такой керамики достигло 10 000 часов (при сохранении уровня тяги в заданном диапазоне ±5%). Вместе с тем прогноз увеличения «ресурса» СПД весьма пессимистичен, особенно при переходе на повышенные удельные импульсы. В связи с этим дальнейшее повышение времени разрушения РК (при сохранении конструкции двигателя) возможно только путем поиска новых материалов, имеющих большую стойкость к ионному распылешпо в специфических условиях рабочего процесса в СПД. Многие годы процесс поиска шел путем перебора и экспериментальной проверки различных керамик. Накопленный к моменту начала данной работы опыт и развитие матсриаловедческих знаний позволили автору перейти к постановке работ по целенаправленному синтезу новых материалов, решающих как задачу увеличения ресурса разрядной камеры двигателя, так и проблему улучшения характеристик СПД. Одним из первоочередных вопросов, который необходимо решить при создании новых диэлектрических материалов для СПД, является определение их стойкости при ионной бомбардировке. Существующие методики определения коэффициентов распыления дают существенно заниженные значения. С точки зрения чистоты эксперимента, испытания керамик непосредственно в СПД является наиболее оптимальным. Однако такое решение требует больших затрат времени и средств. В связи с этим целесообразно детально изучить особенности процесса распыления в двигателе, проанализировать критические факторы и разработать методику для проведения испытаний образцов в условиях, наиболее приближенных к реальным условиям их
разрушения в СПД. Другим фактором, который тесно связан с ионным распылением, являйся осаждение распыленного материма на стенках РК и элементах космического аппарата, окружающих срез двигателя. Осажденный материал может существенно отличаться от исходного состава керамики. Вследствие этого возможно непредсказуемое изменение физических свойств ряда участков поверхностей. Существенно осложняет понимание процессов ионного распылешш в РК СПД наличие явления «аномальной» эрозии стенок. Имеется ряд гипотез, связывающих это явление с параметрами электронной компоненты плазмы в РК. Однако они не позволяют пропюзиро вать время возникновения и развития неоднородпостей на поверхности стенок разрядной камеры двигателя,
Представляется актуальным и вопрос поиска альтернативных методов, позволяющих существенно сократить время и удешевить процедуру испытаний для определения времени разрушения РК СПД.
Целями работы являлись:
создание моделей двигателей с контролируемым взаимодействием плазмы со стенками разрядной камеры;
решение проблемы повышения стабильности уровня интегральных характеристик новых моделей СПД, в частности, при стендовых испытаниях;
выбор и разработка новых материалов для элементов разрядной камеры, более стойких к ионному распылению.
Основными задачами, решаемыми в работе, были:
исследование функционирования новых, схем двигателей с контролируемым взаимодействием плазмы со стенками разрядной камеры;
разработка оборудования для испытаний п исследований рабочего процесса в двигателе, уменьшающего методические ошибки при измерениях, а также методов обработки полученных экспериментальных результатов, позволяющих выявить тенденции изменения характеристик СПД при длительных временах работы;
разработка методов испытаний материалов на стойкость к ионному распылению, максимально воспроизводящие условия их эксплуатация в разрядной камере СПД;
выбор и испытания новых керамических материалов, стойких к ионному распылению;
разработка метода оценки времени разрушения разрядной камеры СПД.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработаны и исследованы модели двигателей с комбинированными электропроводящими и
диэлектрическими участками стенок разрядной камеры, обладающие повышенным уровнем ха
рактеристик, и продемонстрирована возможность обеспечения стабильности их параметров в
условиях сильных загрязнений поверхности сгеиок РК при стендовых испытаниях;
разработаны методы исследования процессов изменения формы и структуры поверхностных слоев керамических материалов в РК СПД в течение длительного времени работы двигателя;
получены новые данные о процессах эрозии керамических материалов в разрядной камере СПД. Показано, что имеет место селективное распыление азота из питридных соединений (в частности, нитрида бора, обеспечивающего в основном стойкость керамики к ионной эрозии), которое может быть скомпенсировано добавкой азотсодержащих компонентов в керамические композиции, либо добавкой азота в рабочее тело;
продемонстрировано, что основным процессом, вызывающим так называемую «аномальную» эрозию керамик в СПД, является электронно-стимулированная десорбция соединений керамических композиций, содержащих кислород;
созданы керамические материалы, обладающие повышенной стойкостью к ионному распылс-шпо в условиях рабочего процесса в СПД, и продемонстрирована потенциальная возможность увеличения «ресурса» двигателя при их использовании.
Достоверность, приведенных в диссертации результатов, подтверждается совпадением информации, полученной различными экспериментальными способами; сравнением полученных результатов с данными других авторов; а также путем анализа точности измерений. Имеется хорошая корреляция результатов.
Практическое значение полученных результатов работы:
-
Созданы новые конструктивные схемы РІС СПД с секционированными электропроводящими и диэлектрическими участками стенок ускорительного канала.
-
Продемонстрировано, что конструкция РК СПД с комбшшрованием изолированных, электропроводящих участков стенок с диэлектрическими обеспечивает повышение и стабильность уровня интегральных характеристик двигателя даже в условиях сильных загрязнений поверхности стенок канала РК при стендовых испытаниях.
-
Уточнен механизм образования «аномальной» эрозии керамики в разрядной камере СПД.
-
Обоснована возможность и созданы керамические композиции с повышенной стойкостью к ионному распылению в условиях рабочего процесса в СПД.
-
Разработаны методики и оборудование, минимизирующие методические ошибки при испытаниях и позволяющие проводить оценки предельного времени безотказной работы двигателя и его элементов.
На защиту выносятся:
1. Новые схемы РК двигателей с секционированными электропроводящими и диэлектрическими участками стенок ускорительного канала, обладающими повышенной стабильностью инте-
іральньгх характеристик.
-
Поэтапная методика укороченных испытаний РК СГ1Д, позволяющая оцешпъ время ее полного разрушения без проведения длительных испытаний.
-
Результаты исследования процессов распыления керамик в условиях разряда в СПД;
выявление селективности распыления азота из нйтрлдных соединений;
электронно-стимулированная десорбция оксидных соединений как причина «аномальной» эрозии традиционных для СПД керамических материалов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 6 и 7 Всесоюзіи>гх конференциях «Плазменные ускорители и ионные инжекторы» в 1986 и 1989гг.; Всесоюзной конференции «Новые технологии и роботехнические комплексы при производстве авиационной техники» в 1990г.; Всесоюзной конференции «Применение электронно-ионной технологии в народном хозяйстве», в 1991г.; Научно-техническом семинаре «Новые процессы и технологии для нанесения покрытий», в 1991г.; 2 Всесоюзной конференции «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряжешіьгх частиц» в 1991г.; 18 Международном симпозиуме по космической науке и технологии (International Symposium on Space Technology and Science (1STS) Conference) в 1992г.; 2 и 3 Германо-Российских конференциях «Электроракетные двигатели и их техническое применение» (German-Russian conference «Electric propulsion engines and their technical applications») в 1993 и 1994гг.; 23,24,25,26,28, 29, 30 и 31 Международных конференциях по электроракетным двигателям (International Electric Propulsion Conference) в 1993, 1995,1997,1999, 2003,2005, 2007,2009гг.; 1, 2, 3 и 4 Международных конференциях по космическим двигателям (International Conference on Spacecraft Propulsion) в 1994, 1997, 2000 и 2004гг.; 31,34, 35 и 38 Объединенных конференциях по ракетным двигателям (Joint Propulsion Conference) в 1995, 1998, 1999 и 2002гг.; 31 инженерной конференции по экономии энергии (Engineering Power Saving Conference) в 1995г.; 44 и 52 Международных астронавтических конгрессах (International Astronautical Congress) в 1993 и 2001гг.; 2 Российско-китайской конференции «Двигатели и энергетические установки летательных аппаратов» в 1992г.; Международном симпозиуме по космическим двигателям (International Symposium on Space Propulsion) в Шанхае в 2004г.; 5 Всероссийской конференции «Состояние и проблемы технических измерений» в 1999г., «Юбилейной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения А.В. Квасникова и 30-летшо основания кафедры «Двигательных, энергетических и энер-гофизических установок космических летательных аппаратов» в 1992г.; Российском семинаре «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» в 1998г.; 3, 4 и 6 Международных конференциях «Авиация и космонавтика» в 2004, 2005 и 2007гг.; 17 и 18 Международных конференциях «Взаимодействие ионов с поверхностью» в 2005 и 2007гг.; 11 Обьединегаюй конференции Вакуумного общества (Joint Vacuum Conference) r
2006г.; 5 Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и при-
мсмешіе высоких технологий в промышленности» в 2008г.; Всероссийском семинаре по электро-ракстным двигателям в МАИ.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 118 научных работ, из них 9 статей в реферируемых журналах, рекомеїщовашплх ВАК; получено 6 авторских свидетельств и 7 патентов (в том числе 4 международных).
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 349 страницах, включая размещенные в тексте 191 рисунок и 11 таблиц, а также списка использованных источников из 389 наименовании; и состоит из введения, пяти глав и заключения (общих выводов).
