ЭЛЕКТРОД ИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ELECTRODE OF ION ENGINE AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к космической технике и касается высокочастотных ионных двигателей.
Известен электрод ионного двигателя, содержащий равномерно распределенные по его поверхности отверстия диаметром 1,2-4,6 мм и перемычки между ними шириной 0,4-2,4 мм, выполненный из УУКМ на основе каркаса из высокомодульных углеродных волокон и коксо-пироуглеродной матрицы [Богачев Е.А. Высокотемпературные конструкционные композиционные материалы с минимальной структурной ячейкой // Композиты и наноструктуры, 2017, т. 9, №1, С. 12-23]. В соответствии с указанным источником информации УУКМ электрода выполнен на основе каркаса иглопробивной структуры, получаемого расчесом штапелированного полимерного волокна (в частности, окисленного полиакрилнитрильного волокна) длиной до 50-60 мм с образованием из него расчесанного холста с последующим его иглопробиванием, прессованием и карбонизацией.
Недостатком электрода является его недостаточно высокая прочность и жесткость, обусловленная недостаточно высоким уровнем прочностных свойств УУКМ.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является электрод ионного двигателя, содержащий равномерно распределенные по его поверхности круглой или прямоугольной формы отверстия размером 1,2-4,6 мм и перемычки между ними шириной 0,4-2,4 мм, и выполненный из УУКМ на основе каркаса слоистой структуры из высокомодульных углеродных волокон и коксо-пироуглеродной матрицы [Антипов Е.А. и др. Выбор конструкционныхматериалов для высокочастотных ионных двигателей // Электронный журнал «Труды МАИ», вып. 65, С. 1-15, www.mai.ru/science/trudy]. В соответствии с указанным источником информации в УУКМ электрода каркас слоистой структуры представляет собой пакет из центральных по его толщине слоев из ткани и наружных слоев в виде войлока.
Электрод указанной конструкции имеет более высокую прочность и жесткость, чем электрод-аналог, что обусловлено более высоким уровнем прочности и модуля упругости УУКМ на основе углеродных волокон, претерпевающих вытяжку в процессе их получения.
Тем не менее прочность электрода оказывается недостаточной, как только расстояние между отверстиями (ширина перемычек) становится меньше их диаметра (что обусловлено недостаточным уровнем прочности и модуля упругости УУКМ), следствием чего является низкая работоспособность при применении его в качестве эмиссионного электрода. Что касается технологии его изготовления, то ее следовало бы упростить.
Известен способ изготовления электрода ионного двигателя, включающий послойную укладку наполнителя в матрицу пресс-формы с пропиткой его коксообразующим связующим, формование углепластиковой заготовки путем прессования выложенного пакета, ее карбонизацию и предварительное насыщение пироуглеродом вакуумным изотермическим методом в ограничительной оснастке, механическую обработку по толщине и внешнему диаметру и окончательное насыщение пироуглеродом указанным методом [Антипов Е.А. и др. Выбор конструкционных материалов для высокочастотных ионных двигателей // Электронный журнал «Труды МАИ», вып. 65, www.mai.ru/science/trudy]. В соответствии с указанным источником информации укладка наполнителя (в виде углеродных волокон подходящей линейной плотности) в матрицу осуществляется между штифтами, расположенными соосно с апертурной сеткой электрода, благодаря чему требуемые отверстия в электроде изготавливаются на стадии формования углепластиковой заготовки.
Существенным недостатком способа является сложность самого технологического процесса изготовления электродов и его оснащения.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления электрода ионного двигателя, включающий послойную укладку наполнителя в матрицу пресс-формы с пропиткой его коксообразующим связующим, формование углепластиковой заготовки путем прессования выложенного пакета, ее карбонизацию и предварительное насыщение пироуглеродом вакуумным изотермическим методом в ограничительной оснастке, механическую обработку по внешнему диаметру, вырезку отверстий методом лазерной резки, окончательное насыщение пироуглеродом заготовки [Антипов Е.А. и др. Выбор конструкционных материалов для высокочастотных ионных двигателей // Электронный журнал «Труды МАИ», вып. 65, www.mai.ru/science/trudy]. В соответствии с указанным способом пакет наполнителя набирают из слоев ткани УТ-900 и слоев войлока, формирующих его центральные по толщине и поверхностные слои соответственно, требуемый профиль придается электроду на стадии формования углепластиковой заготовки, формование углепластиковой заготовки производят без припуска по толщине, предварительное насыщение пироуглеродом в среде природного газа вакуумным изотермическим методом проводят при температуре 1100°С в течение 350 часов, механически обрабатывают заготовку по внешнему диаметру, вырезают отверстия методом лазерной резки, насыщают пироуглеродом при температуре 1100°С в течение 250 часов.
Способ позволяет несколько упростить технологию изготовления электродов и ее оснащение.
Однако указанная технология формирования отверстий в электроде дает положительный результат при расстояниях между отверстиями, соизмеримых с их диаметрами, что характерно для ускоряющего электрода ионно-оптической системы (ИОС). Требованием, предъявляемым к эмиссионному электроду, является уменьшение и толщины и промежутка между отверстиями, что при применении указанного способа изготовления, включающего технологию лазерного вырезания отверстий, приводит к его разрушению даже в процессе изготовления. Отсутствие возможности мехобработки заготовки из УУКМ по толщине и наличие формоизменений на стадии термохимической обработки углепластиковой заготовки приводят к некоторому нарушению расположения отверстий по поверхности электрода. Что касается технологии его изготовления, то ее следовало бы упростить.
Задачей изобретения является обеспечение работоспособности и повышение ресурса работы не только ускоряющего электрода ИОС, но и эмиссионного электрода, а также повышение их размерной точности, и упрощение технологии изготовления.
Поставленная задача решается за счет того, что электрод ионного двигателя, содержащий равномерно распределенные по его поверхности круглой или прямоугольной формы отверстия размером 1,2-4,6 мм и перемычки между ними шириной 0,4-2,4 мм, и выполненный из УУКМ на основе каркаса слоистой структуры из высокомодульных углеродных волокон и коксо-пироуглеродной матрицы, в соответствии с заявляемым техническим решением имеет углеродные волокна УУКМ, которые входят в состав однонаправленной ленты толщиной 0,07-0,11 мм и расположены в УУКМ детали под углом 60 или 90 градусов друг к другу для отверстий круглой и квадратной формы соответственно.
То, что углеродные волокна в УУКМ входят в состав однонаправленной ленты толщиной 0,07-0,11 мм, позволяет придать материалу высокую прочность. Кроме того, обеспечивается высокая чистота поверхности электрода без необходимости формирования наружных слоев из войлока, следствием чего является упрощение технологии изготовления.
То, что углеродные волокна расположены в УУКМ электрода под углом 60 или 90 градусов друг к другу для отверстий круглой и квадратной формы соответственно, позволяет придать материалу в месте расположения перемычек максимально возможную прочность за счет обеспечения максимально возможного содержания в УУКМ механически не поврежденных углеродных волокон.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность придать электроду высокую прочность, несмотря на малую ширину перемычек, присущих эмиссионному электроду.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: обеспечивается работоспособность не только ускоряющего электрода ИОС, но и эмиссионного электрода. Кроме того, создаются предпосылки для упрощения технологии его изготовления.
3
Поставленная задача решается также за счет того, что в способе изготовления электрода ионного двигателя, включающем послойную укладку наполнителя в матрицу пресс-формы с пропиткой его коксообразующим связующим, формование углепластиковой заготовки путем прессования выложенного пакета, ее карбонизацию и предварительное насыщение пироуглеродом вакуумным изотермическим методом в ограничительной оснастке, механическую обработку по толщине и внешнему диаметру, вырезку отверстий методом лазерной резки, окончательное насыщение пироуглеродомзаготовки, в соответствии с заявляемым техническим решением в матрицу пресс-формы укладывают заготовки препрега на основе однонаправленной ленты толщиной 0,07-0,11 мм из высокомодульных углеродных волокон плотностью 1.9-2,1 г/см, прочностью и модулем упругости изготовленного на его основе эпоксиуглепластикане менее 1 ГПа и 250 ГПа соответственно; причем заготовки препрега укладывают со смещением по окружности с таким расчетом, чтобы угол между углеродными волокнами составлял 60 или 90 градусов для отверстий круглой и квадратной формы соответственно, предварительное насыщение пироуглеродом проводят при давлении в реакторе 8-27 мм рт. ст. и ступенчато повышаемой с 940 до 1000°С температуре до плотности УУКМ, составляющей не менее 95-97% от плотности исходного углепластика, а окончательное насыщение пироуглеродом проводят после механической обработки по толщине и внешнему диаметру заготовки при ступенчато повышаемой с 900 до 970°С температуре до плотности УУКМ, превышающей плотность исходного углепластика, после чего вырезают отверстия.
3
То, что в матрицу пресс-формы укладывают заготовки препрега на основе однонаправленной ленты толщиной 0,07-0,11 мм из высокомодульных углеродных волокон плотностью 1,9-2,1 г/см, прочностью и модулем упругости изготовленного на ее основе эпоксиуглепластика не менее 1 ГПа и 250 ГПа соответственно, позволяет придать УУКМ электрода высокий уровень прочности, в том числе за счет равномерного распределения в УУКМ кокса. К тому же при этом обеспечивается высокая чистота поверхности электрода без необходимости формирования наружных слоев из войлока, а получение из однонаправленных лент препрега осуществляется механизированным способом.
То, что заготовки препрега укладывают со смещением по окружности с таким расчетом, чтобы угол между углеродными волокнами составил 60 или 90 градусов при изготовлении круглых и прямоугольной формы отверстий соответственно, позволяет придать материалу в месте расположения перемычек максимально возможную прочность за счет обеспечения максимально возможного содержания в УУКМ механически не поврежденных углеродных волокон.
Проведение предварительного насыщения пироуглеродом при давлении в реакторе 8-27 мм рт. ст. и ступенчато повышаемой с 940 до 1000°С температуре обеспечивает возможность наиболее полного заполнения пор за счет исключения преждевременной блокировки устьев транспортных пор и обеспечения тем самым возможности заполнения вначале наиболее мелких пор, а затем более крупных. Проведение предварительного насыщения пироуглеродом до плотности УУКМ, составляющей не менее 95-97% от плотности исходного углепластика, обеспечивает возможность механической обработки заготовки электрода по толщине с получением качественного, без расслоений, материала. Проведение окончательного насыщения пироуглеродом заготовки после ее механической обработки по толщине и внешнему диаметру при ступенчато повышаемой с 900 до 970°С температуре обеспечивает возможность наиболее полного дополнительного заполнения пор материала, в том числе благодаря организации доступа природного газа вглубь материала через вскрывшиеся при механической обработке устья транспортных пор. Это работает на увеличение прочности УУКМ. Кроме того, это обеспечивает возможность расположения отверстий по поверхности электрода в полном соответствии с заданным конструктивным исполнением. В том случае, когда электроду придается окончательный профиль на стадии формирования углепластиковой заготовки (т.е. не предусматривается мехобработка заготовки из УУКМ по ее толщине), соблюсти указанное соответствие проблематично. Обусловлено это тем, что стадия термохимической обработки сопровождается формоизменениями.
Проведение окончательного насыщения пироуглеродом до плотности УУКМ, превышающей плотность исходного углепластика, позволяет придать материалу максимально возможную и равномерную по объему электрода прочность не только за счет придания высокой плотности материалу, но и за счет устранения возникших после мехобработкимелких дефектов.
Проведение операции вырезки отверстий лазером после проведения окончательного насыщения заготовки пироуглеродом также направлено на обеспечение возможности расположения отверстий по поверхности электрода в полном соответствии с заданной конструкцией.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения возникает новое свойство: способность придать электроду высокую прочность, несмотря на малую ширину перемычек, присущих эмиссионному электроду, а также придать высокую размерную точность, и обеспечить возможность выполнения некоторых операций механизированным методом, а также уменьшить длительность и температуру процесса насыщения пироуглеродом.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: обеспечивается работоспособность не только ускоряющего электрода ИОС, но и эмиссионного электрода, при упрощении технологии их изготовления.
Изобретения настолько связаны между собой, что образуют единый изобретательский замысел, а именно: изобретен электрод новой конструкции и новый способ его изготовления, что свидетельствует о соблюдении единства изобретения.
Электрод ионного двигателя содержит равномерно распределенные по его поверхности отверстия диаметром 1,2-4,6 мм и перемычки между ними шириной 0,4-2,4 мм. Электрод выполнен из УУКМ на основе каркаса слоистой структуры из высокомодульных углеродных волокон и коксо-пироуглеродной матрицы. Углеродные волокна УУКМ входят в состав однонаправленной ленты толщиной 0,07-0,11 мм и расположены в УУКМ детали под углом 60 и 90 градусов друг к другу для отверстий круглой и квадратной формы соответственно.
Изготовление электрода ионного двигателя осуществляют следующим образом.
3
В матрицу пресс-формы укладывают заготовки препрега на основе однонаправленной ленты толщиной 0,07-0,11 мм из высокомодульных углеродных волокон плотностью 1,9-2,1 г/см, прочностью и модулем упругости изготовленного на его основе эпоксиуглепластикане менее 1 ГПа и 250 ГПа соответственно; причем заготовки препрега укладывают со смещением по окружности с таким расчетом, чтобы угол между углеродными волокнами составлял 60 или 90 градусов.
Затем производят формование углепластиковой заготовки путем прессования выложенного пакета. После этого проводят карбонизацию и предварительное насыщение пироуглеродом вакуумным изотермическим методом в ограничительной оснастке. При этом предварительное насыщение пироуглеродом проводят при давлении в реакторе 8-27 мм рт. ст. и ступенчато повышаемой с 940 до 1000°С температуре до плотности УУКМ. составляющей не менее 95-97% от плотности исходного углепластика.
Затем заготовку из УУКМ механически обрабатывают по толщине и внешнему диаметру. После этого заготовку окончательно насыщают пироуглеродом при ступенчато повышаемой с 900 до 970°С температуре до плотности УУКМ, превышающей плотность исходного углепластика.
Затем в полученной заготовке формируют отверстия методом лазерной резки.
Ниже приведены конкретные примеры изготовления электродов ионного двигателя заявляемым способом.
Пример 1
Изготовили 2 плоских электрода диаметром 335 мм; один толщиной 0,5 мм, другой - 1,0 мм.
Углеродную однонаправленную ленту марки «Кулон» (СТО 75969440-009-2009) пропитали на пропиточной машине коксообразующим связующим марки БЖ ГОСТ 4559-78, разбавленным растворителем (изопропиловым спиртом) до условной вязкости 22-25 с. по вискозиметру ВЗ 246. Применяемая для изготовления электрода лента «Кулон» отвечала следующим показателям по прочности, определенной на однонаправленном эпоксиуглепластике:
2
- предел прочности при растяжении, ГПа (кг⋅с/см): не менее 1,0 (100);
2
- модуль упругости при изгибе, ГПа (-кг⋅с/см): не менее 250 (25000).
Полученный в результате пропитки связующим и сушки препрег отвечал следующим показателям:
- массовая доля летучих, %: 9,3;
- массовая доля связующего, %: 35;
- массовая доля растворимой фракции, %: 99,3.
Препрег раскроили на заготовки 340×340 мм в количестве 6 шт. для электрода толщиной 0,5 мм и 12 шт. для электрода толщиной 1,0 мм.
Затем произвели выкладку заготовок препрега на металлическую плиту, используемую для формования. Укладку заготовок препрега произвели по схеме выкладки 0°+(+60°)+(-60°)+0°+(+60°)+(-60°) для электрода толщиной 0,5 мм и 0°+(+60°)+(-60°)+0°+(+60°)+(-60°)+0°+(+60°)+(-60°)+0°+(+60°)+(-60°) для электрода толщиной 1,0 мм. Затем произвели сборку технологического пакета для формования. Для этого уложили на пакет перфорированную лакоткань, поверх нее - перфорированную цулагу, а затем 4-5 дренажных слоев стеклоткани ТР-0,7 и резиновую диафрагму с установленным штуцером.
+5
Затем произвели формование заготовки с выдержкой при конечной температуре (125)°С 12 часов.
3
Углепластик имел плотность 1,64 г/см и открытую пористость 6,5%; содержание в нем связующего (полимерной матрицы) составило 28,7% вес.
После этого углепластиковую заготовку карбонизовали в среде азота при конечной температуре 850°С.
3
Затем произвели предварительное уплотнение пироуглеродом вакуумным изотермическим методом в ограничительной оснастке при давлении в реакторе 27-36 мм рт. ст. и ступенчато поднимаемой с 940 до 1000°С температуре с выдержкой через каждые 10 градусов в течение 40 мин. с таким расчетом, чтобы плотность УУКМ составляла не менее 95-97% от плотности исходного углепластика. Фактически плотность УУКМ оказалась равной 1,59 г/см, что составляет ≈97% от плотности исходного углепластика.
Затем произвели мехобработку заготовки из УУКМ по толщине 0,5±0.05 мм или 1,0±0,05 мм (для электродов толщиной 0,5 и 1,0 мм соответственно).
3
Затем произвели окончательное уплотнение пироуглеродом вакуумным изотермическим методом при ступенчатом подъеме температуры с 900 до 970°С с выдержкой через каждые 10 градусов в течение 40 мин. с таким расчетом, чтобы плотность УУКМ превысила плотность исходного углепластика. Фактически плотность УККМ после окончательного уплотнения пироуглеродом составила 1,66 г/см, что превысило плотность исходного углепластика.
Затем в заготовке из УУКМ толщиной 0,5 мм путем лазерной резки сформировали отверстия ∅ 4,6 мм с шириной перемычки между ними 0,6 мм, а в заготовке толщиной 1,0 мм - отверстия ∅ 2,4 мм с шириной перемычки между ними 0,4 мм.
Пример 2
Изготовили электрод куполообразной формы диаметром 575 мм, толщиной 1,0 мм, с отверстиями диаметром 4,0 мм с шириной перемычки между ними 0,6 мм.
Изготовление электрода куполообразной (сферической) формы производили аналогично изготовлению плоского электрода со следующими существенными отличиями.
Раскрой ленты из препрега производили по шаблонам согласно таблице.
Таблица
Для выкладки заготовки электрода толщиной 1,0 мм было сформировано 2 таких пакета.
При выкладке пакета использовались 3 шаблона, а именно:
- Шаблон №1 в виде треугольника с основанием 210 мм и высотой 391 мм;
- Шаблон №2 в виде трапеции с основаниями 210 и 27 мм. высотой 341 мм;
- Шаблон №3 в виде многоугольника, а именно: 12-тиугольника, в котором расстояние между плоскими сторонами 100 мм, а ширина стороны 27 мм.
После мехобработки, проведенной после предварительного уплотнения материала заготовки пироуглеродом, произвели контроль выпуклой и вогнутой поверхности на соответствие 3D-модели.