Введение к работе
Работа посвящена взаимодействию плазмы с керамиками, применяющимися для изготовления стенок разрядных камер стационарных плазменных двигателей (СПД).
Актуальность работы
Современные тенденции в развитии космических аппаратов
выдвигают новые требования к двигателям коррекции орбиты по
удельному импульсу (свыше 1800 с) и ресурсу (5...10 тыс. часов).
Перспективными с этой точки зрения являются СПД. В СПД ионы,
создающие тягу, ускоряются в скрещенных электрическом и
магнитном полях в объеме, ограниченном коаксиальными
цилиндрическими стенками в радиальном направлении и кольцевым анодом - с одной из сторон по оси. Через отверстия в аноде подается рабочее тело, как правило, ксенон. Разность потенциалов прикладывается между анодом и катодом-компенсатором, расположенным снаружи двигателя.
Опыт, накопленный при отработке СПД, как в России, так и за рубежом, показывает, что одной из основных причин, ограничивающих их ресурс, является эрозия стенок разрядного канала, которая происходит в результате воздействия плазмы.
Все лётные модели СПД до настоящего времени функционировали с напряжением разряда до 350 В и их конструкция была оптимизирована под этот режим работы. Для того, чтобы повысить удельный импульс до 2000 с и выше при работе на ксеноне необходимо поднимать напряжение разряда до 500 В и более. Изменение физических процессов в канале СПД, вызванное повышением напряжения, приводит к сокращению ресурса двигателя и деградации его удельного импульса. Одним из методов борьбы с этими негативными явлениями является применение в составе стенок разрядного канала материалов с повышенной стойкостью к ионному распылению. В качестве материалов, более стойких к распылению по сравнению с применяемыми ранее керамиками БГП-10 (60% BN, 40% Si02) и АБН (50% BN, 50% A1N), рассматриваются керамики с высоким массовым содержанием гексагонального нитрида бора (h-BN). Однако для создания летных образцов СПД требуется исследовать стойкость к эрозионному воздействию плазмы существующих керамик отечественных производителей как в струе СПД, так и в составе стенок разрядного канала. Также необходимо определить зависимость выходных и ресурсных характеристик СПД от материала стенки. Важно знать - как меняются механические свойства
керамики в зависимости от химического состава, способа изготовления, финальной обработки деталей?
Цель работы состоит в экспериментальном исследовании процессов распыления стенок разрядного канала СПД с высоким удельным импульсом (выше 1800 с) и модификации свойств керамик в результате воздействия плазмой СПД и электронного пучка; в вьщелении физических механизмов влияния материала стенки на горение разряда в СПД.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Исследовать энергетические и угловые зависимости коэффициента
объемного распыления перспективных керамических композитов
ионами ксенона, для чего необходимо создать устройство по
измерению объемного коэффициента распыления в плазменной струе
спд.
Исследовать локальные параметры плазмы СПД в пристеночной области канала и скорости уноса керамики стенок для выяснения условий их распыления в двигателе при работе на режимах с высоким удельным импульсом (свыше 1800 с).
Исследовать механизмы влияния состава поверхности стенки и ее рельефа на условия работы СПД для выяснения особенностей процессов переноса заряженных частиц в двигателях с разными материалами стенок разрядного канала.
Провести экспериментальные исследования по определению зависимости рабочих параметров СПД от свойств материала стенки для широкого спектра перспективных керамик.
Исследовать влияние воздействия плазмы СПД и плазмы концентрированного электронного пучка при атмосферном давлении на изменение механических свойств материала и микрорельефа поверхности.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Измерены зависимости коэффициента объемного распыления от энергии и угла падения бомбардирующих ионов Хе+ для материалов БГП-10 и BN-05 для ускоряющих напряжений холловского источника ионов 325 эВ и 500 эВ и углов 0-70. Показано, что для исследованного диапазона энергий и углов значения коэффициентов распыления BN-05 в 1,5-2 раза ниже, чем для БГП-10.
Экспериментально показана зависимость осевого положения зоны максимума электронной температуры и электрического поля от
коэффициента вторичной электрон-электронной эмиссии материала (ВЭЭЭ) стенки разрядного канала СП Д. Данная зависимость подтверждена результатами численного моделирования. 3. Обнаружены ранее неизвестные элементы структур «нормальной» и «аномальной» эрозии на стенках из БГП-10, имеющие форму игл с диаметром 50-600 нм и длиной 100-1500 нм. Игольчатая структура занимает от 10 до 30% поверхности стенок разрядного канала СПД, прошедших ресурс 200-500 часов. По результатам аналитических оценок и численного моделирования показано, что возникновение таких игл ведет к затруднению эмиссии вторичных электронов со стенки.
Достоверность полученных результатов подтверждается путем анализа погрешностей измерений, сопоставлением данных, полученных различными экспериментальными способами, сравнением полученных данных с данными других авторов и результатами численного моделирования.
Практическая ценность результатов данной работы заключается в следующем:
Разработано и испытано устройство для измерения коэффициента объемного распыления керамик, позволяющее за один запуск одновременно подвергнуть воздействию плазмы до 7 образцов с различной ориентацией поверхности по отношению к направлению плазменного потока, при постоянном контроле плотности ионного тока цилиндром Фарадея и эффективной коллимации данного потока.
Полученные зависимости коэффициента объемного распыления от угла падения ионов позволили повысить достоверность методик предсказания ресурса по результатам укороченных ресурсных испытаний.
Показано, что обработка поверхности керамики BN-05 плазмой струи СПД в вакууме или плазмой концентрированного электронного пучка в атмосфере ведет к повышению микротвердости образца, его предела прочности на изгиб в трех точках.
На защиту выносятся:
1. Методика измерения коэффициента объемного распыления керамики в струе СПД, устройство, изготовленное для реализации данной методики, и результаты, полученные на этой установке для материалов BN-05 и БГП-10.
Результаты сравнительных измерений параметров плазмы СПД со стенками из БГП-10 и BN-05, полученные с помощью зондов Ленгмюра.
Результаты исследований микрорельефа стенок разрядного канала двигателей, работающих при различных значениях мощности и удельного импульса, полученные с помощью оптической и электронной микроскопии.
Апробация работы и научные публикации.
Основные результаты, изложенные в диссертации,
докладывались и обсуждались на 50~ом Международном
астронавтическом конгрессе в 1999 г.; Весенних Встречах
Европейского Материаловедческого общества в 2002 и 2004 годах;
Межотраслевом научно-техническом семинаре-конференции
«Радиационные технологии и установки» в 2004 г.; 30ой Международной конференции по электроракетным двигателям в 2007 г.; Научно-технической конференции - конкурсе молодых ученых, посвященной 75-летию ФГУП «Центр Келдыша» (работа отмечена дипломом второй степени) в 2008 г.; 18ой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов РКК «Энергия» в 2008 г. (работы отмечены дипломом второй степени и почетной грамотой); 3"еи Европейской конференции по аэрокосмическим наукам в 2009 г.; 19ой Международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью в 2009 г.; научных семинарах Центра Келдыша. Основное содержание и результаты диссертации отражены в 5 статьях в реферируемых журналах и 5 статьях, вошедших в сборники трудов различных конференций.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 3 х глав и заключения, содержит 170 машинописных листов, включающих 87 рисунков, 17 таблиц и список используемой литературы из 123 наименований.
