СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЭФФЕКТА РАСПЫЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА В ВАКУУМНОЙ КАМЕРЕ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR REDUCTION OF INTENSITY OF EFFECT OF SPREADING OF MATERIAL IN VACUUM CHAMBER IN TESTS OF ELECTRIC JET ENGINES AND SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Заявляемое изобретение относится к областям техники, связанным с испытаниями электрореактивных двигателей (ЭРД) с высоким удельным импульсом, например, стационарных плазменных (СПД) и ионных двигателей. Областью применения изобретения является подготовка ЭРД к эксплуатации в составе космического аппарата (КА).
Огневые испытания ЭРД производят на этапах изготовления и интеграции ЭРД в состав подсистем КА. В связи с тем, что включение ЭРД в условиях атмосферного давления невозможно, указанные испытания проводят в вакуумных камерах.
При проведении огневых испытаний ЭРД на стенки вакуумной камеры испытательного стенда воздействует поток высокоэнергетических ионов, генерируемый работающим двигателем. Под действием ионного потока происходит распыление материала стенок камеры.
Продукты распыления, преимущественно, металл, а также фрагменты красочного покрытия криогенных экранов и иные материалы, находящиеся в вакуумной камере, оседают (далее по тексту этот процесс именуется напылением) на стенки камеры, на поверхности объектов испытаний и испытательного оборудования, установленного в вакуумной камере. Это, в свою очередь, приводит к искажению результатов испытаний и деградации характеристик испытательного оборудования. Процесс распыления материалов под воздействием плазменного потока на стенки вакуумной камеры и его влияние на оборудование и объекты испытаний описаны в работе [1] («Анализ процессов разрушения стенок вакуумной камеры испытательного стенда» Михайлюченко А.В., Румянцев А.В., 2015 Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2015. Вып. 4. С. 50-56).
В работе [1] также приведено описание пассивного метода защиты от распыления. Суть метода заключается в том, что защитные конструкционные элементы покрывают материалом, более труднораспыляемым, чем основа, например, графитом.
Прототипом способа снижения интенсивности эффекта распыления («reduction of sputtering effects») выбран способ, используемый при проведении испытаний ионного двигателя, приведенный в работе [2] («DLR's Electric Propulsion Test Facility - the First Three Years of Thruster Operation)) Presented at Joint Conference of 30th International Symposium on Space Technology and Science 34th International Electric Propulsion Conference and 6th Nano-satellite Symposium, Hyogo-Kobe, Japan July 4 - 10, 2015. Andreas Neumann, Christopher Geile, Stefan  and Klaus Hannemann). Суть способа заключается в том, что при проведении огневых испытаний ЭРД, в противоположном (относительно испытываемого двигателя) торце вакуумной камеры устанавливают защитную мишень («beam dump target))), оборудованную графитовым покрытием и средством охлаждения, предназначенную для снижения интенсивности процесса распыления материалов внутри вакуумной камеры. Защитная мишень принимает на себя значительную часть потока высокоскоростных ионов, вырабатываемых электрореактивным (в статье - ионным) двигателем. В результате количество распыляемого материала внутри вакуумной камеры снижается.
Средства, предназначенные для выполнения функций по снижению интенсивности эффекта распыления материала в вакуумной камере и описанные в этом же источнике информации [2], взяты за прототип комплекса для реализации способа снижения интенсивности эффекта распыления материала в вакуумной камере (далее по тексту Комплекса).
Недостатком способов, описанных в работах [1] и [2], является то, что при их применении не выполняют количественную оценку эффективности использования средств защиты, например, оценку изменения массы напыляемого материала на единицу площади за единицу времени в определенных областях вакуумной камеры. Это, в свою очередь, не позволяет выполнять оптимизацию параметров средств защиты, например, геометрических характеристик, температуры, параметров по размещению относительно торца вакуумной камеры и объектов испытаний конструкции «Beam Damp Target)), описанной в работе [2]. Под оптимизацией параметров в данном случае подразумевается их изменение с целью обеспечения сведения к минимуму массы напыляемого материала в определенной области вакуумной камеры на единицу площади за единицу времени, характеризующей эффективность работы применяемых средств защиты. При этом параметры оптимизации не должны влиять на качество проведения испытаний в целом.
Недостатками средств, применяемых в прототипе, является то, что их конструкцией не предусматриваются средства оценки эффективности их работы. Кроме этого не предусматривается возможность оптимизации параметров средств защиты.
Необходимость оценки эффективности применяемых средств защиты обусловлена следующим. При проведении испытаний, в зависимости от поставленных задач, в вакуумную камеру могут устанавливать различные типы двигателей, могут менять их количество и схемы размещения. Соответственным образом, нужно менять схему и режимы работы средств защиты. Средства оценки эффективности позволяют получить количественную оценку работы конкретного варианта защиты и, соответственно, выбрать наиболее оптимальный.
Пример размещения нескольких ЭРД при проведении огневых испытаний в АО «ИСС» приведен в работе [3] («Стенд огневых испытаний плазменных двигателей в АО «ИСС» А.В. Никипелов, Р.С. Симанов, Ю.М. Ермошкин, Е.Н. Якимов, В.В. Максимов, А.К. Шаров. Наукоемкие технологии №8, 2016, том 17).
Задачей данного изобретения является снижение интенсивности эффекта распыления материала в вакуумной камере, снижение степени деградации характеристик объектов испытаний и испытательного оборудования.
Эта задача решается за счет того, что перед проведением испытаний используют математическую модель процесса огневых испытаний; меняя параметры модели, определяют схему наиболее оптимальной расстановки объектов испытаний и защитных конструкционных элементов для сведения к минимуму массы напыляемого материала за единицу времени на единицу площади в заданных точках вакуумной камеры; в вакуумную камеру устанавливают датчики, обеспечивающие за счет изменения их оптических и (или) электрических характеристик непрерывный контроль количества осаждаемого распыленного в области их установки в вакуумной камере материала на единицу площади за единицу времени; на основе результатов контроля изменяют схему размещения и тепловые режимы защитных конструкционных элементов в вакуумной камере;
защитные конструкционные элементы, устанавливаемые в вакуумную камеру, предусматривают возможность изменения схемы их размещения и их тепловых режимов, в состав комплекса входят датчики, обеспечивающие за счет изменения их оптических и (или) электрических характеристик изменение величины выходного сигнала пропорционально количеству осаждаемого в области их установки материала, распыленного в вакуумной камере, на единицу площади за единицу времени, сообщенные через гермопроходной соединитель и преобразователь сигнала с компьютером.
Суть изобретения поясняется графическими изображениями, где на фиг. 1, показана схема комплекса; на фиг. 2 - принцип размещения шин на пластине датчика, применяемого для регистрации изменения электрических характеристик.
В вакуумной камере, состоящей из корпуса 1 и крышки 2 на рабочей площадке 3, закрепленной на внутренней стороне крышки 2 вакуумной камеры, размещают монтажную плату 4, на которой устанавливают блоки коррекции на основе ЭРД - 5. Количество испытываемых блоков коррекции, устанавливаемых на монтажную плату, может составлять, например, от одного до десяти в зависимости от программы испытаний. Движение потока генерируемых двигателем (ЭРД) ионов рабочего тела, например, ксенона (условно показано стрелками) может быть направлено, как вдоль геометрической оси вакуумной камеры (показана штрихпунктирной линией), так и под углом к ней в зависимости от конструкции конкретного типа блока коррекции 5. Кроме этого, при работе двигателя в вакуумной камере образуется циркуляция ионов и атомов рабочего тела. Пневматическое и электрическое оборудование, используемое при испытаниях, не имеющее прямого отношения к заявляемому способу, в описании не упоминается. Тепловые режимы оборудования, размещенного в вакуумной камере, регулируют с помощью криогенных экранов 6 и 7, являющихся конструкционными элементами вакуумной камеры. Криогенный экран 6 используют для отвода тепла, выделяемого при работе блоков коррекции 5, от конструкционных элементов монтажной платы 4. Криогенный экран 7, установленный в противоположном (относительно испытываемых блоков коррекции) торце вакуумной камеры, используют для отвода тепла от торцевой стенки вакуумной камеры, наиболее нагреваемой при работе двигателей. Передача тепла на поверхностях криогенных экранов осуществляется путем радиационного и конвективного теплообмена. Охлаждение криогенных экранов осуществляют, например, жидким азотом. Тепловые режимы работы криогенных экранов и расстояния между ними и объектами испытаний определяют программой испытаний. Требуемый для испытаний уровень вакуума во всем объеме вакуумной камеры поддерживают вакуумными насосами 8, 14 герметично установленными на корпус вакуумной камеры. Оптические и электрические средства, изменяющие величину выходного сигнала пропорционально количеству осаждаемого распыленного в вакуумной камере материала на единицу площади за единицу времени (датчики концентрации напыления) 9, размещают в вакуумной камере в области размещения объектов испытаний и испытательного оборудования. Количество, типы и схему размещения датчиков 9 определяют программой испытаний. Через гермопроходную плату 10 и преобразователь выходного сигнала 11 датчики 9 сообщены с компьютером 12, находящимся вне вакуумной камеры. Комплект защитных конструкционных элементов 13 устанавливают с учетом направления движения потока ионов с целью максимально защитить стенки и торец вакуумной камеры. Функциональное назначение комплекта защитных конструкционных элементов 13 - торможение и рассеяние струи потока генерируемых ЭРД ионов рабочего тела с частичным преобразованием их кинетической энергии в тепло, отводимое на криогенные экраны и корпус вакуумной камеры. Конструктивно, комплект защитных конструкционных элементов 13 представляет собой один, или несколько модулей жалюзи со сменными лопатками, покрытыми труднораспыляемым материалом. Крепление модулей внутри вакуумной камеры может выполняться, например, путем развешивания с помощью специальных кронштейнов. Далее, средства и способы крепления модулей в заявке не рассматриваются. При этом предусматривают возможность изменения положения модулей в вакуумной камере, а также изменения угла установки сменных лопаток в составе каждого модуля. Схема размещения модулей жалюзи из состава комплекта защитных конструкционных элементов, а именно: расстояния от них до торца вакуумной камеры и объектов испытаний, угловое расположение относительно осей вакуумной камеры, углы установка лопаток в составе модуля, а также и их тепловые режимы предусматривают возможность их изменения с целью максимального снижения количества осаждаемого распыленного в вакуумной камере материала на единицу площади за единицу времени. В состав заявляемого комплекса входят: комплект защитных конструкционных элементов (один, или несколько модулей жалюзи со сменными лопатками); датчики концентрации напыления; программное обеспечение (математическая модель исследуемого процесса напыления материала и программа обработки данных - выходных сигналов датчиков концентрации напыления).
Принцип работы по предлагаемому способу заключается в следующем. Размещение объектов и оборудования испытаний анализируют с помощью специально создаваемой математической модели испытаний. Исходными данными для создания математической модели являются: параметры вакуумной камеры (геометрические характеристики; характеристики материала стенок и поверхностей оборудования, вакуумных насосов, уплотнений, криогенных экранов; схема размещения и типы датчиков давления и температуры и т.п.), схема размещения и параметры объектов испытаний (мощность, расход, скорость истечения, параметры потока рабочего тела, режим работы и т.п.), а также параметры исследуемого комплекса (схема размещения и характеристики модулей жалюзи, схема размещения и характеристики датчиков концентрации напыления). Результатом работы математической модели испытаний должна быть количественная оценка концентрации напыления в заданных местах вакуумной камеры на заданный момент времени испытаний. Методы и принципы построения математических моделей различных процессов приведены, например, в работе [4] (Кубланов М.С. Математическое моделирование. Методология и методы разработки математических моделей механических систем и процессов. Часть I. Моделирование систем и процессов. Издание третье, переработанное и дополненное: Учебное пособие - М.: МГТУ ГА, 2004. - 108 с: ил. 42, табл. 5 ISBN 5-86311-428-2).
-5
По результатам работы с математической моделью испытаний выбирают и реализуют предварительный, наиболее оптимальный по ожидаемому уровню распределения напыляемого материала вариант размещения объектов испытаний, модулей жалюзи из состава комплекта защитных конструкционных элементов, датчиков концентрации напыления. Перед включением блоков коррекции 5 в корпусе 1 вакуумной камеры, закрытой крышкой 2, устанавливают заданный программой испытаний уровень давления, который составляет, например, не более 1*10 мм рт. ст. После включения блока коррекции 5 в вакуумную камеру с заданным расходом начинает поступать рабочее тело, например, ксенон, преобразуемый работающим двигателем в поток высокоэнергетических ионов. Взаимодействуя с незащищенными поверхностями вакуумной камеры и размещенного в ней оборудования, поток ионов распыляет с них основной материал, как правило - металл. Распыленный материал камеры, обладая также высокой скоростью, взаимодействует с поверхностями объектов испытаний и оборудования, образуя на их поверхностях тонкие проводящие пленки. В результате данного процесса, как указано в работе [1], меняются электрические характеристики объектов испытаний, появляется проводимость между контактами открытых электрических соединителей, меняются оптические свойства поверхностей, например, иллюминатора, ламп локальных нагревателей из состава вакуумной камеры (на схеме фиг.1 не указаны). Соответственно, тонкие проводящие пленки образуются и на поверхностях установленных в вакуумной камере датчиков концентрации напыления 9. Информация об изменении оптических и (или) электрических характеристик датчиков концентрации напыления непрерывно поступает на компьютер 12. С помощью программы обработки данных выходных сигналов датчиков концентрации напыления, установленной на компьютер 12, выполняют количественные оценки процесса распыления в вакуумной камере. Данная информация сопоставляется с результатами моделирования процесса, это дает возможность уточнить математическую модель процесса. Кроме этого, данная информация позволяет непрерывно контролировать интенсивность напыления материала на поверхности в области установки объектов испытаний и принимать решения о необходимости дальнейшей оптимизации схемы защиты и целесообразности продолжения испытаний. Схему защиты, при необходимости, с целью снижения концентрации уровня распыления в заданных точках вакуумной камеры оптимизируют, например, путем изменения схемы размещения относительно торца вакуумной камеры и объектов испытаний, углового расположения относительно осей вакуумной камеры и тепловых режимов модулей жалюзи из состава комплекта защитных конструкционных элементов.
Комплект защитных конструкционных элементов 13, установленный в вакуумной камере, обеспечивает защиту поверхностей вакуумной камеры и установленного в ней оборудования, снижая интенсивность распыления. Элементы комплекта, подверженные наибольшему износу, изготавливают в виде сменных модулей.
Требуемый уровень вакуума поддерживают насосами 8, 14. Выделенное при торможении потока высокоскоростных ионов тепло отводят через криогенные экраны 6, 7 и стенки вакуумной камеры 1, 2.
Заявляемый способ по сравнению с прототипом позволяет выполнять непрерывный контроль и регистрацию количества осаждаемого распыленного в вакуумной камере материала на единицу площади за единицу времени в заданных точках вакуумной камеры, на основе результатов контроля изменять схему размещения и тепловые режимы защитных конструкционных элементов. Таким образом, способ позволяет свести к минимуму интенсивность эффекта распыления материала в вакуумной камере, уменьшить его влияние на характеристики объектов испытаний и снизить степень деградации характеристик испытательного оборудования.
В качестве датчиков концентрации напыления на основе изменения их оптических или электрических характеристик пропорционально количеству (массе) осаждаемого распыленного в вакуумной камере материала в АО «ИСС» разработаны и апробированы два типа датчиков. Оба типа датчиков предусматривают способы крепления в вакуумной камере (развешивание через предусмотренные в них отверстия, либо, размещение на горизонтальных поверхностях в вакуумной камере).
Датчик, с помощью которого регистрируют изменение оптических характеристик, представляет собой стеклянную пластинку размером, например, 50×50 мм и толщиной 2-3 мм, размещаемую в контролируемой зоне вакуумной камеры. В ходе испытаний поверхность пластины «тонируется», соответственно, пропорционально количеству (массе) осаждаемого на ее поверхность материла, меняется прозрачность пластины. В конечном счете, применяя процедуры, например, точного взвешивания, возможно установить связь между характеристиками пропускаемого пластиной светового потока и массой распыленного на нее материла.
Датчик, с помощью которого регистрируют изменение электрических характеристик, представляет собой две медные гальванически изолированные шины, выполненные травлением на фольгированом стеклотекстолите. Принцип размещения шин на пластине поясняется изображением, фиг. 2. На изображении показаны: 15 - текстолитовая пластина; 16 - шина «плюс», 17 - шина «минус». Сопротивление между шинами перед испытаниями составляет до 200 ГОм. После десяти часов взаимодействия со средой внутри вакуумной камеры при работающем плазменном двигателе сопротивление между шинами уменьшается до 20-30 кОм. Применяя процедуры, например, точного взвешивания возможно установить связь между величиной изменения сопротивления между шинами и массой распыленного на нее материала.
Учитывая, что для объектов испытаний и испытательного оборудования наиболее важной характеристикой является степень изменения их электрических и (или) оптических свойств, методики более точного определения массы распыленного материала на единицу площади в данной заявке не рассматриваются.
Схемное построение датчиков, методы калибровки, опроса и обработки выходного сигнала в данной заявке не рассматриваются.
Заявляемый комплекс для осуществления способа позволяет снизить интенсивность эффекта распыления материла в вакуумной камере при проведении огневых испытаний электрореактивных двигателей. Кроме этого способ при проведении огневых испытаний позволяет контролировать ожидаемое изменение электрических и оптических свойств поверхностей объектов испытаний и испытательного оборудования.
Заявляемое изобретение может быть использовано в космической технике при проведении огневых испытаний электрореактивных двигателей (ЭРД) с высоким удельным импульсом.