Архипов, Алексей Сергеевич. Исследование характеристик струй стационарных плазменных двигателей (СПД) при повышенных разрядных напряжениях

Краткое описание

Архипов, Алексей Сергеевич. Исследование характеристик струй стационарных плазменных двигателей (СПД) при повышенных разрядных напряжениях : диссертация ... кандидата технических наук : 05.07.05 / Архипов Алексей Сергеевич; [Место защиты: Моск. гос. авиац. ин-т].- Москва, 2010.- 150 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-5/638

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Научно-исследовательский институт прикладной механики и
электродинамики Государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования «Московский авиационный
институт (государственный технический университет)»
На правах рукописи
04.2.01 1 50258 “
Архипов Алексей Сергеевич
Исследование характеристик струй стационарных
плазменных двигателей (СПД) при повышенных
разрядных напряжениях
Специальность 05.07.05 - «Тепловые, электроракетные двигатели и
энергоустановки летательных аппаратов»
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель - доктор технических наук Ким В.
Москва — 2010 г.
Введение 4
ГЛАВА 1. Анализ состояния разработки СПД и основные задачи диссертационной работы 11
1.1 Состояние разработки СПД 11
1.2 Основные направления дальнейшего развития СПД 17
1.3 Результаты исследования струй СПД 21
1.4 Обзор математических моделей применяемых для исследования
параметров струй СПД 37
1.5 Цели и основные задачи диссертационной работы 47
ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование характеристик струй СПД, работающих при повышенных разрядных напряжениях 49
2.1 Общая характеристика струй СПД 49
2.2 Краткое описание стенда, методики и средств измерения параметров
потока ускоренных ионов в струе СПД 53
2.2.1 Вакуумный стенд У-2В-1 и его системы 53
2.2.2 Электростатический зонд-энергоанализатор 57
2.2.2.1 Принцип работы датчика 57
2.22.2 Особенности функционирования датчика 58
2.2.2.3 Конструкция датчика 60
2.2.2.4 Недостатки датчика 61
2.2.3 Основные измеряемые характеристики и определяемые параметры ..63
2.3 Результаты исследования характеристик струй моделей СПД различных
размеров 71
2.3.1 Краткое описание моделей СПД, для которых проведены
исследования характеристик струи 71
2.3.2 Результаты исследования распределений плотности тока ускоренных
ионов и энергетического спектра ионов в струях моделей СПД различных размеров 74
2.3.3 Анализ закономерностей изменения характеристик струи двигателя
при изменении режима его работы 86
2.4 Выводы по главе 88
ГЛАВА 3. Анализ зависимости интегральных параметров струи от разрядного напряжения и их взаимосвязи с тяговой эффективностью двигателя 90
3.1 Расчетная методика определения параметров струи СПД 90
3.2 Зависимости интегральных параметров струи от разрядного напряжения
92
3.3 Анализ взаимосвязи параметров струи, потерь тяги и тягового к.п.д 98
3.4 Анализ факторов, снижающих тяговую эффективность двигателя 104
3.4.1 Неполнота использования рабочего тела в ускорительном канале
двигателя 104
3.4.2 Неполнота использования разрядного напряжения на ускорение ионов 107
3.4.3 Расходимость струи двигателя 111
3.5 Выводы по главе 113
ГЛАВА 4. Расчетное и экспериментальное исследование распределений параметров плазмы в ближней зоне струи СПД 114
4.1 Расчетное исследование влияния разрядного напряжения на
распределения параметров плазмы в струе СПД 114
4.2 Экспериментальное исследование квазирадиальных ионных потоков.... 121
4.3 Расчетное исследование влияния катода и закрутки ионов на
распределения параметров плазмы в струе СПД 128
4.4 Выводы по главе 135
Заключение 136
Литература 139

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенная работа позволила сделать следующие выводы:
1. Проведено экспериментальное исследование характеристик струй отечественных двигателей типа СПД-100 и СПД-140 и выявлены следующие закономерности:
а) . С увеличением разрядного напряжения и расхода рабочего газа через ускорительный канал возрастает уровень максимальных значений плотности ионного тока в приосевой области разряда, монотонно возрастают значения полного тока ускоренных ионов в струе. Эти результаты совпадают с полученными ранее другими авторами.
б) . С увеличением разрядного напряжения и одновременном уменьшении расхода рабочего газа через ускорительный канал:
— сужается относительное распределение плотности тока ускоренных ионов в приосевой области струи и повышается относительный уровень плотности тока в периферийных частях струи, энергия ионов уменьшается в окрестности приосевой части струи,и возрастает в ее периферийной части, что может быть объяснено смещением слоя ионизации и ускорения к аноду и соответствующей перестройкой распределений скорости ионизации и электрического поля в ускорительном канале двигателя при названных изменениях режима работы двигателя;
— разница между максимальным значением средней энергии ионов в струе и приложенным разрядным напряжением несколько возрастает с увеличением разрядного напряжения, что свидетельствует о некотором возрастании прианодного падения потенциала с увеличением разрядного напряжения;
— ширина распределения ионов по энергии в приосевой части струи слабо возрастает с увеличением разрядного напряжения, что свидетельствует о незначительном изменении распределения потенциала в зоне ионизации с увеличением разрядного напряжения и подтверждается имеющимися результатами локальных измерений параметров плазмы.
2. Разработана методика расчета коэффициентов, отражающих влияние неполноты использования рабочего тела в ускорительном канале и неполноты использования разрядного напряжения на ускорение ионов, наличия двухзарядных ионов, расходимости струи, разброса ионов по скоростям и общих «непроизводительных» затрат энергии в разряде на потери тяги и снижение тяговой эффективности. Получены новые данные о зависимости названных коэффициентов и доли двухзарядных ионов от разрядного напряжения. В результате показано, что:
— значения перечисленных коэффициентов, рассчитанных по результатам измерений характеристик струи дают значения тягового к.п.д., согласующиеся со значениями, полученными в результате прямых измерений интегральных параметров;
— коэффициент использования рабочего вещества в ускорительном канале СПД и среднее значение доли двухзарядных ионов монотонно возрастают с увеличением разрядного напряжения;
— полуугол расходимости струи несколько уменьшается с увеличением разрядного напряжения до (500-700) В, а затем слабо возрастает, при этом характер его зависимости от разрядного напряжения может быть объяснен зависимостью радиальной составляющей скорости ионов от температуры электронов и характером ее изменения в ускорительном канале при увеличении разрядного напряжения;
— средняя по струе энергия ионов несколько возрастает с увеличением разрядного напряжения, достигая значений порядка 80 % от энергии, соответствующей этому напряжению для однозарядных ионов;
— потери тяговой эффективности из-за расходимости струи составляют 10¬15 %, а разброс ионов по скоростям дает наименьшие (~5 %) потери в тяговой эффективности двигателя.
3. Совместно с другими сотрудниками НИИ ПМЭ проведены измерения характеристик струй опытных образцов двигателей типа СПД-100Д и СПД- 140Д на режимах работы с высоким удельным импульсом тяги. Результаты этих измерений используются в НИИ ПМЭ и ОКБ «Факел» для оценки воздействия струй указанных двигателей на элементы конструкции транспортного модуля, разрабатываемого в рамках ОКР «Двина ТМ» в НПО имени С.А. Лавочкина, и на элементы конструкции КА «Луч М», разрабатываемого в ОАО «Информационные системы связи».
4. Проведено расчетное и экспериментальное исследование распределений параметров плазмы в ближней зоне струи СПД и выявлены закономерности изменения распределений параметров плазмы в этой зоне, а также закономерности формирования квазирадиальных ионных потоков, выпадающих на элементы конструкции двигателя СПД-100Д. Показано, что эти потоки способны оказать значительное эрозионное воздействие на катод-компенсатор двигателя. Результаты сравнения расчетных данных с экспериментальными дали качественное совпадение между ними.
В частности показано, что с увеличением разрядного напряжения:
— сужаются распределения концентрации, температуры и потоков ионов;
— в ядре потока возрастают значения концентрации и плотности тока ионов;
значения радиальной плотности ионного потока в области их максимальных значений возрастают, а в окрестности плоскости среза остаются практически неизменными.