3258

микроотверстия в материале располагались равномерно, а их количество на единицу площади было большим.

Способ транспирационного охлаждения конструкций, на которые воздействуют внешние тепловые конвективные или лучистые потоки высокой плотности, обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с другими видами тепловой защиты:

1.Высокой эффективностью использования охладителя.

2.Контролируемым уменьшением внешнего конвективного теплового потока, достигающего поверхности за счет регулируемого вдува охладителя.

3.Снижением внешнего лучистого теплового потока при подаче газовзвеси с твердыми частицами, а также лучепоглощающего газа или паров.

4.Отсутствием ограничений по величине внешнего теплового потока при сохранении неизменности формы и целостности охлаждаемой поверхности.

Защитное действие транспирационного охлаждения аналогично завесному. Если используется жидкий охладитель, то он по порам подается с небольшой скоростью на огневую поверхность стенки, создается защитная завеса, плотность теплового потока в стенку снижается. При некотором критическом значении расхода жидкого охладителя температура стенки становится равной температуре кипения жидкости при данном давлении. На режиме критического расхода внутренняя стенка защищается сплошной завесой жидкости. При снижении расхода жидкость частично испаряется, а завеса становится в основном газовой.

Транспирационное охлаждение при поступлении лучепоглощающих газов или паров, а также газовзвеси с твердыми частицами может применяться для ослабления теплового излучения от нагретых элементов с целью инфракрасной защиты. Надежность работы системы транспирационного охлаждения существенно повышается при использовании многослойной стенки. Известно несколько вариантов многослойной пористой стенки. Расчеты показывают, что наиболее приемлемой является двухслойная стенка, внутренний конструкционный слой которой выполнен из теплопроводного материала малой пористости, высокой прочности, с большим гидравлическим сопротивлением. Наружный

50

теплозащитный спой изготовлен из тугоплавкого материала низкой теплопроводности, высокой пористости и проницаемости. Транспирационное охлаждение конструкций, на которые воздействуют внешние тепловые конвективные или лучистые потоки, является одним из эффективных методов тепловой защиты. Основная идея этого способа состоит в том, что продавливаемый сквозь пористую стенку охладитель за счет интенсивного внутри порового теплообмена поглощает теплоту, передаваемую теплопроводностью по каркасу от внешней нагреваемой поверхности.

Несмотря на все достоинства пористого охлаждения, заполнение теплообменного тракта пористым высокотеплопроводным металлом с малым термическим сопротивлением между стенкой и пористым металлом максимально интенсифицирует теплообмен, наблюдается резкое увеличение гидравлического сопротивления, что сдерживает применение этого метода в системе регенеративного охлаждения ЖРД. Для уменьшения потерь давления приходится идти на уменьшение скорости движения теплоносителя в ПМ за счет увеличения проходного сечения тракта, что приводит к снижению интенсификации теплообмена и повышению массы и габаритов тракта. Уменьшить потери давления в системе охлаждения, не изменяя габаритных размеров теплообменного тракта, можно, если перейти от общеизвестного продольно-канального к продольнопоперечному (межканальному) движению теплоносителя через ПМ, изготовленный методом диффузионной сварки в вакууме металлических тканых сеток. Будем называть этот способ движения теплоносителя – межканальная транспирация теплоносителя (МКТТ) сквозь пористый металл.

Принцип межканальной транспирации теплоносителя в сочетании с межсеточной фильтрацией теплоносителя впервые позволяет создать высокоэффективный пористый теплообменный тракт с большей эффективностью теплообмена, чем у лучших оребренных трактов. Тракт с межканальной транспирацией теплоносителя сочетает в себе высокую теплоотдачу, свойственную высокотеплопроводным ПМ, и низкие гидравлические потери. Эти выводы хорошо согласуются с результатами работы, полученными для охлаждаемых пористых подложек зеркал лазеров. На рисунке

51

представлена принципиальная схема системы охлаждения камеры ЖРД с МКТТ.

Разрез камеры с МКТТ

Из коллектора подвода охладителя (теплоносителя) теплоноситель поступает в подводящие каналы, заполняет их и под действием перепада давления прокачивается в соседние два отводящих канала. Подводящие и отводящие каналы чередуются. Их число определяется заданным расходом охлаждающего компонента топлива и необходимой температурой огневой стенки камеры. Высокие коэффициенты теплоотдачи α в тракте охлаждения достигаются высокоразвитой поверхностью теплообмена между пористым сетчатым материалом (ПСМ) и

52

охлаждающим компонентом топлива при значительно более низких числах Рейнольдса, чем у оребренных трактов, что приводит к уменьшению гидравлических потерь по сравнению с оребренным трактам ЖРД.

Применение транспирационного охлаждение обладает рядом преимуществ, но все же сложность конструирование подобных охлаждающих систем присутствует. Применение системы МКТТ в области камеры сгорания и критического сечения и использование теплообменного аппарата на основе МКТТ позволяет повысить соотношение компонентов топлива, увеличить устойчивость к конвективным и лучистым тепловым потокам и повысить температуру горючего, что увеличивает ресурс и удельный импульс двигателя и надежность эксплуатации.

Литература

1.Пелевин Ф. В., - Новый подход к охлаждению ракетного кислородно-керосинового двигателя, 2012. - 12 с.

2.Добровольский М. В.- Жидкостные ракетные двигатели. Основыпроектирования,1968. - 398 с.

3.JohnE. Terry – Transporation and film cooling of liquid rocket nozzles, 1966. - 79 с.

УДК 621.455.4

ОБЗОР ПЕРСПЕКТИВНЫХ МОДЕЛЕЙ ИОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

С.О. Ломтев, ВГТУ,студент группы РД-111,тел. +7-(909)-211-9730

Ионно-оптическая система – одна из основных частей ионного двигателя, обеспечивающая ускорение плазмы. Целью ИОС, как любой иной ускоряющей системы является разгон плазмы, но в данном случае ИОС позволяет извлекать ионы из плазмы газоразрядной камеры (ГРК), где она и образуется, фокусировать и ускорять ионный пучок до требуемых скоростей. Традиционная схема ИОС представляет собой аксиально-симметричную трех-

53

электродную систему состоящую из: плазменного, ускоряющего и замедляющего электродов.

1-опорный фланец плазменного электрода, 2-опорный фланец ускоряющего электрода, 3-опорный фланец замедляющего электрода,4 –плазменный электрод,5-стяжной узел Рис.1.Ионно-оптическая система

Плазменный электрод имеет положительный потенциал и необходим для лучшей ионизации плазмы. Выполняется данный электрод как можно тоньше, с целью уменьшения энергетической цены иона. Оптимальная толщина плазменного электрода 0.5 мм и выполняется он из титана или молибдена. Ускоряющий электрод имеет отрицательный потенциал, который позволяет ему отсекать ионы из плазмы и препятствует им на пути в ускоряющий зазор. Выполняется, так же как и плазменный электрод, но по толщине превосходит его и равен 1.0 мм. Замедляющий электрод или как его еще называют “заземленный электрод” имеет нулевой потенциал. Цель данного электрода – предотвращение возвращений обратных потоков заряженных частиц из-за среза двигателя обратно в ГРК.

Первые два электрода выполняются либо в виде сеток, перфорированных аксиально-симметричными отверстия, либо в виде набора параллельных стержней. Третий электрод обычно делают кольцеобразной формы, охватывающий ионный пучок.[2] ИОС подразделяется:

- по конструктивному исполнению на аксиальносимметричную и щелевую систему.

54

- По количеству электродов на - трех и четырехэлектродную систему.

Главной целью проектирования ИОС – является повышение ресурса работы ИОС, который зависит в основном от процесса распыления ускоряющего электрода.

В отличие от аксиально-симметричной ИОС, которая представлена на рис.1, в щелевой ИОС электроды выполняются в виде набора из тонких параллельных нитей или стержней. Такая конструкция позволяет повысить коэффициент прозрачности электродов ускоряющей системы, но при этом происходит снижение коэффициента использования рабочего тела от 5 до 10 % .[1] На рис.2 представлено конструктивное отличие традиционного и щелевого электрода.

Рис.2. Конструктивное отличие геометрии ИОС (справа щелевая, слева традиционная)

Приоритетом в выборе щелевой системы является существенное снижение трудоемкости при изготовлении электродов, по причине меньшего числа щелей по сравнению с традиционной системой.

Так же щелевая ИОС представляет собой интерес из-за возможности применения углерод-углеродного композита для создания из него электродов ИОС, позволяющий долгое время сопротивляться распылению ускоряющего электрода и тем самым повысить ресурс работы ИОС. Вследствие своего строения, углерод-углеродный композит не может быть использован в традиционной ИОС, так как его сетчатое графито-волокнистое строение оказывается разрезанным круглыми щелями, что в значительной мере понижает механические свойства ИОС. В

55

щелевой системе по причине расположение щелей, параллельно волокнам композита, многие из них окажутся не разорванными и сохранит положительный эффект от его использования.[1] Среди недостатков щелевой системы по сравнению с традиционной системой:

1.Сильная чувствительность к изменению полного напряжения.

2.Узкий диапазон плотности тока, обеспечивающий отсутствие прямого перехвата ионного пучка.

3.Падение коэффициента использования рабочего тела при переходе от традиционной к щелевой системе.[3] Для сравнения на практике двух систем приведем пример ИОС

“RUDI”.

Переход на щелевую оптику позволил этой модели повысить прозрачность плазменного электрода и уменьшить угловую расходимость пучка. Сравнение рабочих параметров традиционной

ищелевой ИОС приведено в таблице.

Стоит отметить что при проектировании щелевой или традиционной ИОС общей проблемой является наличие теплового воздействия на электроды ускоряющей системы, в результате попадания на их поверхность частиц плазмы из источника, т.к для аккуратного формирования пучка с малой расходимостью к взаимному расположению электродов предъявляются достаточно жесткие требования. Благодаря расчетам количественной оценки тепловой деформации в Институте ядерной физики им. Г.И. Будгера были проанализированы 20 вариантов геометрии ИОС, с

56

целью обеспечения минимального теплового воздействия. Рабочие расчеты по изучению тепловых воздействий на ИОС, показали, что оптимальном в отношении величин продольных и поперечных деформаций является геометрия со щелями длиной до 60 мм и прозрачностью ~67%. При дальнейшем повышение прозрачности происходило снижение механической прочности и жесткости сетки, что приводило к росту тепловых деформаций.[4]

В ходе данной научно-исследовательской работы проведенной по перспективным моделям ионно-оптических систем для ионных двигателей, рассмотрены две модели ИОС: аксиальносимметричную и щелевую. Установлено, что применение щелевой системы ускорения ионов более перспективно. Преимуществами этих систем является: пониженная трудоемкость, повышение ресурса электродов, малый угол расходимости, использование совершенных композитных материалов.

Литература

1.Горшков О.А.Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов , 2008 г,-280с.

2.Гришин С.Д, Электрические ракетные двигатели космических аппаратов , 1989 г,- 218 с.

3. Dan M. Goebel. Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thruster, 2008г,-493с.

4.ЛистопадА.А, ДавыденкоВ.И, ИвановА.А.Многощелевая четырехэлектродная ионно-оптическая система для формирования диагностического пучка быстрых атомов., 2012 г, -16 с.

57

УДК 621.455.4

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ И СЛОЖНОСТИ ОПТИМИЗАЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

С.О. Ломтев, ВГТУ,студент группы РД-111, тел. +7 (909)-211-9730

Электроракетный двигатель (ЭРД) – тип ракетных двигателей, использующих электрическую энергию для ускорения рабочего тела и создания тяги. Рабочее тело таких двигателей может быть весьма разнообразным. В качестве рабочего тела в подобных двигателях могут применяться как жидкости и газы, так и смеси этих веществ. Существуют комбинации или отдельные монокомпоненты, способные максимально увеличить эффективность эксплуатации различных подвидов ЭРД.

В последнее время среди разработок ЭРД, ключевое место стали занимать исследования в области высокочастотных ионных двигателей. Стоит заметить, что ВЧИД является двигателем семейства электростатических двигателей, работающих на ионах благородных газов, (как например ксенон, аргон), ускоряемых вихревым электростатическим полем, с последующей компенсацией заряда ионного потока на выходе.

Принципиальная схема ВЧИД состоит из:

1.Узла подачи рабочего тела.

2.Газоразрядной камеры, выполненной полностью из керамики.

3.Индукционных катушек, находящихся вокруг ионизирующей камеры.

4.Ионно-оптической системы, состоящей из эмиссионного, ускоряющего и замедляющих электродов.

5.Катода-нейтрализатора.

6.ВЧ-генератора.

58

ВЧИД работает следующим образом:[1] В ГРК подается рабочее тело (например, ксенон) через

высоковольтный анод, являющийся газораспределителем. ВЧ мощность в радиочастотном диапазоне подводится от ВЧгенератора к индуктору и затем внутрь ГРК. Зажигание разряда инициируется кратковременной подачей электронов, эмитируемых нейтрализатором в разрядную камеру. После зажигания в разрядной камере поддерживается ВЧ разряд индуктивного типа. В разряде нагреваемые ВЧ электромагнитным полем электроны производят ионизацию рабочего тела. На стационарном режиме работы нейтрализатор служит для инжекции электронов в пучок извлекаемых ионов, что обеспечивает токовую нейтрализацию плазменной струи.

1 – система подачи рабочего тела,2- ВЧ индуктор,3-эмиссионный электрод, 4 –ускоряющий электрод,5 –замедляющий электрод, 6 – нейтрализатор, 7 – газоразрядная камера

Схема высокочастотного ионного двигателя

ВЧИД имеет преимущества, выделяющие его среди двигателей типа СПД и ИД по схеме Кауфмана таких как:[3]

1.В конструкции двигателя отсутствует разрядные электроды, необходимые для поддержания плазменного разряда.

59