СПОСОБ ОЧИСТКИ РАБОЧЕЙ ЧАСТИ УСКОРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА СТАЦИОНАРНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ ПРОДУКТОВ ЭРОЗИИ
METHOD OF CLEANING STATIONARY PLASMA ENGINE ACCELERATION CHANNEL WORK SECTION OF EROSION PRODUCTS

Изобретение относится к космической технике, в частности к электрореактивным двигателям и двигательным установкам (ЭРД и ЭРДУ), созданным на базе ускорителей с замкнутым дрейфом электронов, называемых стационарными плазменными холловскими двигателями, и может быть использовано для повышения эффективности и стабильности характеристик при эксплуатации ЭРД и ЭРДУ.
При работе стационарного плазменного двигателя происходит загрязнение продуктами эрозии рабочих поверхностей разрядной камеры и анода, контактирующих с плазмой. Пленки, осажденные на поверхности разрядной камеры и аноде, участвуют в рабочем процессе и в значительной мере определяют характеристики двигателя. Анализ состава пленок показывает, что в основном они состоят из продуктов эрозии изоляторов ускорительного канала.
При образовании пленок на поверхности ускорительного канала наблюдаются отдельные светящиеся точки, затем при их отслоении появляются светящиеся фрагменты, которые неравномерно распределены по окружности канала. При появлении светящихся участков режим работы двигателя самопроизвольно изменяется. Происходит периодическое перестроение разряда с изменением расхода и формы струи, повышается температура стенок ускорительного канала, возрастает разрядный ток. Перестройка разряда сопровождается снижением тяги и удельного импульса тяги и может приводить к потере работоспособности двигателя.
Проблема образования пленок, снижающих эффективность двигателя, особенно важна в двигателях, работающих при повышенных разрядных напряжениях, так как скорость эрозии стенок канала, а также скорость образования пленок растут с увеличением разрядного напряжения.
Поэтому повышение работоспособности и стабильности работы двигателя при загрязнении продуктами эрозии разрядной камеры является актуальной задачей.
Известно техническое решение [1], в котором в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов и диэлектрической разрядной камерой для обеспечения стабилизации тяги в течение ресурса, снижения скорости эрозии стенок разрядной камеры и массы распыляемого материала предлагается выходные участки стенок ускорительного канала спрофилировать в виде конусных профилей так, что ускорительный канал расширяется в наружном и внутреннем радиальных направлениях, а расстояние между внутренней и наружной стенками в азимутальном направлении остается постоянным. Раскрытие выходной части ускорительного канала уменьшает скорость эрозии стенок. При этом количество осажденного материала на стенках разрядной камеры и аноде уменьшается.
Недостатком данного технического решения является снижение ресурса из-за удаления части материала стенок на выходе ускорительного канала. Анализ результатов ресурсных испытаний стационарных плазменных двигателей показывает, что при уменьшении влияния пленок на характеристики ускорителя предложенным способом потери ресурса могут составлять от 15 до 30% от ресурса ускорителя с прямыми стенками ускорительного канала. Уширение выходной части канала приводит также к снижению тяги и удельного импульса тяги из-за снижения концентрации рабочего тела в зоне ионизации и ускорения по сравнению с каналом с прямыми стенками. Предварительное уширение выходной части канала снижает эффективность двигателя в начальный период работы и ресурс. При этом проблема накопления пленок и устранения их отрицательного влияния на характеристики двигателя полностью не решается. Поэтому данное техническое решение по повышению стабильности тяги и снижению скорости эрозии не является достаточно эффективным, особенно, в двигателях с высоким удельным импульсом.
При длительной работе двигателя толщина пленок нарастает до некоторой критической величины, при которой происходит ее отслоение в виде тонких фрагментов.
Полностью отслоившиеся пленки под воздействием потока плазмы выносятся из полости разрядной камеры, в основном, в момент включения двигателя. Попадание фрагментов пленок в плазменную струю вызывает кратковременное увеличение разрядного тока, которое может привести к срабатыванию токовой защиты и отключению двигателя.
Наиболее значительное влияние пленок на характеристики двигателя оказывают плотные и прочные пленки, образовавшиеся на границе с эродирующей поверхностью. Частично отслоившиеся фрагменты этих пленок перекрывают ускорительный канал в зоне ионизации и ускорения рабочего тела, что приводит к неустойчивой работе двигателя, снижению его эффективности.
-2
Известен способ [2], в котором для устранения отслоения пленок предлагается основную часть разрядной камеры выполнить из материала с высокой адгезионной способностью к осаждаемым продуктам распыляемого материала. Этот способ эффективен при образовании пористых пленок, образующихся в относительно невысоком масляном вакууме ~10 Па.
При длительной работе двигателя в высоком безмасляном вакууме, а также в условиях космоса продукты эрозии образуют плотные пленки, достигающие толщины ~0,15 мм. В толстых пленках возникают напряжения, которые приводят в дальнейшем к отслоению пленок. Этому способствует циклическая работа двигателя, при которой в пленках возникают термические напряжения из-за разности коэффициентов термического расширения пленок и материала поверхности, а также из-за воздействия на пленки потока ионов.
Интенсивное отслоение фрагментов пленок от стенок разрядной камеры наблюдается при напуске атмосферы в рабочую камеру. Это связано с изменением поверхностного состава пленок, а также напряженного состояния пленок при их взаимодействии с атмосферой, что нарушает реальные условия имитации работы двигателя на орбите. Воздействие атмосферы при вскрытии вакуумной камеры приводит к снижению стабильности тяговых характеристик.
В силу перечисленных выше причин предложенный способ [2] устранения влияния пленок не нашел широкого практического применения.
Известен способ механического удаления пленок [3], в котором образовавшиеся пленки на стенках разрядной камеры удаляются путем механической очистки стенок. В качестве критериев, определяющих необходимость проведения чистки камеры, принимались: снижение тяги ниже определенного уровня; увеличение амплитуды колебаний разрядного напряжения выше допустимого уровня; срабатывание токовой защиты.
Однако реализация предложенного в [3] способа устранения отрицательного влияния пленок на характеристики двигателя возможна только в наземных условиях при вскрытии вакуумной камеры. Устранение пленок в полости двигателя, находящегося в составе космического аппарата на орбите, путем механической чистки поверхности ускорительного канала практически невозможно.
Предлагаемый способ очистки рабочей части ускорительного канала от продуктов эрозии позволяет повысить стабильность характеристик и эффективность стационарного плазменного двигателя, оптимизированного по минимуму величины разрядного тока, как при его эксплуатации в космосе, так и при наземной отработке. Это достигается путем увеличения интенсивности потока частиц, воздействующих на запыленные части ускорительного канала. При использовании данного способа устранения пленок не требуется вскрытия вакуумной камеры. Поэтому предлагаемый способ позволяет проводить наземные испытания в условиях, приближенных к натурным, и, тем самым, повысить достоверность результатов ресурсных испытаний.
оп
оп
Поставленная задача очистки рабочей части ускорительного канала стационарного плазменного двигателя от продуктов эрозии решается путем увеличения радиальной составляющей индукции магнитного поля в ускорительном канале до величины В=(1,2-1,5)В, где В - оптимальная величина радиальной составляющей индукции магнитного поля в ускорительном канале, при которой ток разряда достигает минимального значения. При этом величину разрядного тока поддерживают на номинальном уровне, а величину разрядного напряжения либо поддерживают на номинальном уровне, либо повышают до величины, не нарушающей работоспособность двигателя.
Допустимое значение разрядного напряжения определяется конструкцией двигателя, уровнем допустимого тепловыделения в элементах, электрической прочностью изоляции цепей и разрядного промежутка.
Предлагаемый способ иллюстрируется графическими материалами, представленными на фиг.1 и 2, где на фиг.1 изображен график зависимости разрядного тока двигателя от величины радиальной составляющей индукции магнитного поля в ускорительном канале; на фиг.2 представлена схема анодного блока двигателя, в котором стенки разрядной камеры выполнены из металла, а выходные участки ускорительного канала изготовлены из диэлектрического материала.
Увеличение радиальной составляющей индукции магнитного поля в ускорительном канале выше оптимального значения вызывает рост разрядного тока (см. правую ветвь графика на фиг.1). Рост разрядного тока в канале происходит из-за увеличения доли электронного тока в канале и возникновения колебаний в плазме. Этот режим работы характеризуется повышенной интенсивностью воздействия потока плазмы на стенки ускорительного канала, что способствует разрушению пленок.
При поддержании постоянной величины разрядного тока расход рабочего тела уменьшают. Уменьшение анодного расхода и увеличение разрядного напряжения приводят к расширению зоны ионизации и ускорения, а также ее смещению к аноду [4].
Увеличение индукции магнитного поля вызывает смещение зоны ионизации в глубь канала вследствие увеличения магнитного поля на входе в ускорительный канал. Воздействие этих факторов приводит к смещению зоны эрозии к аноду, повышению интенсивности потока частиц, воздействующих на пленки, осажденные на рабочие частях ускорительного канала. Под воздействием этого потока происходят разрушение пленок и их вынос из полости ускорительного канала.
оп
Процедуру очистки рабочей части ускорительного канала от продуктов эрозии целесообразно проводить до начала снижения параметров двигателя, например, при появлении светящихся точечных фрагментов пленок на стенках ускорительного канала при работе на номинальном режиме или их появлении при увеличении радиальной составляющей индукции магнитного поля в канале до величины В~(1,2-1,5)В. В этом режиме работы фрагменты отслоившихся пленок, перекрывающие канал, интенсивно разрушаются потоком плазмы. Воздействие плазмы на отслоившиеся пленки при очистке сопровождается интенсивным свечением фрагментов пленок, которое исчезает по мере их разрушения и выноса из разрядной камеры. После устранения пленок двигатель переводится на номинальный режим работы. Параметры и характеристики двигателя после удаления пленок восстанавливаются. При длительной работе плазменного двигателя может быть проведено несколько циклов очистки рабочей части ускорительного канала.
Предлагаемый способ может быть реализован в двигателе, анодный блок которого изображен на фиг.2. В анодном блоке двигателя, изображенном на фиг.2, продукты эрозии, в основном, осаждаются на стенках камеры 1, торцевой поверхности анода 2, поверхности диэлектрических вставок 3 и 4, образующих ускорительный канал 5.
Анодный блок двигателя оснащен разрядной камерой, имеющей уширение канала в прианодной зоне. Разрядная камера с уширением в прианодной зоне и металлическими стенками значительно повышает устойчивость работы двигателя к воздействию различных загрязнений, осаждаемых на стенках камеры. При ширине канала разрядной камеры в прианодной области, превышающей ширину ускорительного канала на входе, образованного диэлектрическими вставками, основная часть потока эрозионного материала осаждается на торцевой поверхности анода и на обращенных к аноду поверхностях диэлектрических вставок, Прианодное уширение разрядной камеры уменьшает запыление боковой поверхности стенок камеры. Использование дефлекторов, защищающих анод от запыления рабочей поверхности (на фиг.2 не показано), а также организация (направление) потока рабочего тела на стенки камеры позволяют создать участки на поверхности камеры и аноде, свободные от запыления пленкой. Это существенно снижает влияние запыления боковой поверхности анода и стенок камеры на характеристики двигателя.
В наземных условиях пленки, отслоившиеся от поверхности анода и металлических стенок камеры, скапливаются в нижней части разрядной камеры. При высоте на входе в ускорительный канал, составляющей не менее 0,7 от высоты канала в прианодной зоне, скопившиеся пленки выносятся в момент включения двигателя электрическим полем и, практически, не оказывают влияния на характеристики двигателя (за исключением момента пролета канала).
Наиболее значительное влияние на характеристики двигателя оказывают плотные и прочные пленки, образующиеся на границе с эродирующей поверхностью. Частично отслоившиеся фрагменты этих пленок перекрывают ускорительный канал в зоне ионизации и ускорения рабочего тела, что приводит к нарушению режима работы и снижению эффективности двигателя.
Величины запыленных поверхностей диэлектрических вставок определяются их длинами и шириной зоны эрозии, зависящей от положения зоны ионизации и ускорения. На практике устойчивая длительная работа двигателя с приемлемыми характеристиками обеспечивается при расположении границы эрозии в осевом направлении на расстоянии (3-6) мм от концов диэлектрических вставок, обращенных к аноду. Малая протяженность запыленных поверхностей вставок позволяет полностью устранить пленки предлагаемым способом.
Благодаря высокой интенсивности воздействия потока частиц на пленки скорость устранения пленок данным способом существенно превышает скорость их образования. На практике длительность процесса устранения пленок составляет (0,5-1,5) ч. Поэтому предлагаемый способ устранения пленок практически не влияет на величину суммарного импульса тяги и величину среднего удельного импульса тяги за ресурс, измеряемый несколькими тысячами часов.
В условиях космического полета устранение пленок для повышения работоспособности и стабильности характеристик может проводиться по временной циклограмме, разработанной по результатам наземных ресурсных испытаний. Критериями, определяющими необходимость проведения чистки стенок ускорительного канала на орбите, могут служить также колебания разрядного напряжения, срабатывание токовой защиты.
В качестве примера приведем результаты устранения пленок с поверхности диэлектрических вставок ускорительного канала плазменного двигателя. Предложенный способ восстановления характеристик был использован для повышения работоспособности и стабильности параметров холловского двигателя с разрядным напряжением 500 В и мощностью 900 Вт. Концевые вставки разрядной камеры двигателя были выполнены из нитрида бора с малой добавкой оксида бора.
KH
KH
После ~180 часов функционирования двигателя на номинальном режиме произошло изменение режима работы, снижение тяги и удельного импульса. На неэродирующей поверхности вставок наблюдалось свечение фрагментов пленок. Для восстановления характеристик двигатель был переведен в режим работы с увеличенной величиной индукции магнитного поля. Для этого ток в катушках магнитной системы был увеличен до величины 1,3 I где I - величина тока в катушках на номинальном режиме. При этом режиме работы величины разрядного тока и разрядного напряжения поддерживались неизменными. При изменении режима работы возросла интенсивность свечения фрагментов пленки. После часа работы в этом режиме очистки свечение фрагментов прекратилось. Двигатель был переведен на номинальный режим работы. После устранения пленок двигатель на номинальном режиме работал устойчиво, а характеристики двигателя восстановились до первоначального уровня.
За время работы двигателя ~750 ч было проведено 6 циклов устранения пленок через интервалы (90-120) ч длительностью каждый от 0,5 до 1 ч. При последующей работе двигателя необходимость в проведении чистки стенок ускорительного канала не возникала.
Предложенный способ устранения продуктов эрозии со стенок ускорительного канала, благодаря наличию представленных отличительных признаков, позволяет существенно повысить стабильность параметров и работоспособность двигателя.
Использованная литература
1. «Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов», РФ, патент №2312471, Н05Н 1/100, Н05Н 1/54. Опытное конструкторское бюро «Факел», РФ, заявка №2003137368/06, заявл. 24.12.2003 г., опубл. 10.06.2005 г.
2. «Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов», РФ, патент №2108692, Н05Н 1/54, F03H 1/00, заявка № 96103973/25, заявл. 06.03.96, опубл. 10.04.98, бюл. №10.
3. Приданников С.Ю. Исследование характеристик стационарных плазменных двигателей при длительной работе. ОКБ «Факел». Дис. канд. техн. наук, г.Калининград (обл.), 2003.
4. Горшков О.А., Муравлев В.А., Шагайда А.А. Холловские ионные плазменные двигатели для космических аппаратов. М.: Машиностроение, 2008, стр.127.