Моделирование ионной эрозии стенок канала разрядной камеры стационарного плазменного двигателя

Актуальность темы

.

Стационарные плазменные двигатели (СПД) успешно используются в системах коррекции орбит космических аппаратов с длительным сроком активного существования. Ресурс современных СПД находится на уровне 10 000 часов. При сертификации двигателя для подтверждения ресурса двигателя необходимо проведение полномасштабных испытаний с названной длительностью. Стоимость таких испытаний составляет величину порядка 10б $ США и, таким образом, проблема обеспечения ресурса является в процессе разработки современных СПД одной из наиболее сложных и дорогостоящих.

Ресурс СПД определяется, в основном, эрозией стенок разрядной камеры (РК) вблизи среза ускорительного канала при бомбардировке их ускоренными ионами рабочего газа. Изменение геометрии канала РК в результате такой эрозии приводит к изменению тяговых характеристик двигателя^ особенно заметного при значительной эрозии стенок разрядной камеры, и последующей эрозии элементов магнитной системы.

Потоки распыляемого материала стенок канала, идущие из канала СПД, могут осаждаться на рабочие поверхности других элементов космического летательного аппарата (KJIA), таких, как солнечные батареи, ухудшая их технические характеристики. Кроме этого, распыляемый материал стенок канала РК перенапыляется на стенки внутри канала в его прианодной области. При этом могут изменяться электрофизические свойства стенок канала, такие как его проводимость, вторичная электронная эмиссия и. другие, оказывающие влияние на работу двигателя. Поэтому разработка методов и эффективных методик прогнозирования эрозии стенок разрядной камеры в процессе длительной работы двигателя с учетом отмеченного перенапыления представляет собой актуальную научно-техническую задачу.

К настоящему времени разработан ряд методик для расчетного 1″ моделирования эрозии стенок под действием бомбардировки их ускоренными ионами. Однако, как правило, они не обеспечивают высокую точность прогнозирования за исключением случаев, когда в расчетные соотношения вносятся эмпирические коэффициенты. Кроме того, в этих моделях не учитывается переосаждение распыленного материала на стенки канала, видимо потому, что это требует разработки достаточно сложной процедуры учета затенения потоков перенапыления стенками канала, геометрия которого меняется по мере эрозии его стенок. Однако в областях канала, где энергия ионов мала происходит перенапыление распыленного материала' с облучаемых ускоренными ионами поверхностей. Состав осаждающегося материала отличается от состава материала стенок. Осаждающаяся пленка материала со временем отслаивается и разрушается, возмущая движение дрейфующих электронов и влияя, таким образом, на работу двигателя.

За время работы СПД меняется не только макро-, но и микрорельеф поверхности, т. е. шероховатость. При длительной работе двигателя это приводит к изменению угловой зависимости коэффициента распыления материала^стенок канала и, соответственно, скорости распыления стенок, а также пространственного распределения распыленных атомов, что также усложняет моделирование эрозии облучаемых поверхностей. Кроме того, изменение шероховатости стенок канала может изменять пристеночную проводимость, что также может влиять на работу двигателя в целом.

Существующие модели изменения микрорельефа поверхности либо не учитывают массообмен между участками облучаемой поверхности вообще, либо сильно ограничивают область, с которой рассчитывается переосаждение. Это делается для сокращения больших вычислительных затрат, однако заметно снижает физическую адекватность модели. Отдельные задачи имеют аналитическое решение по времени. Но даже небольшое усложнение задачи приводит к необходимости применения методов, основанных на конечно-разностном представлений уравнения эрозии и последующим его численном решении. При этом особые сложности возникают при определении граничных условий, позволяющих ограничить расчетную область (РО) поверхности (области, где проводятся расчеты), до приемлемых геометрических размеров без существенного увеличения объема расчетов и потери их точности.

Из выше изложенного, следует, что разработка модели расчета эрозии стенок канала РК СПД, в которой кроме ионного распыления облучаемых поверхностей определяются и учитываются потоки распыленного материала, осаждаемого на рабочие поверхности внутри канала и вне его, является достаточно актуальной задачей. Актуальной является также задача разработки методических подходов к моделированию влияния ионного распыления на шероховатость поверхности.

Цели и основные задачи.

Основная цель работы состояла в.

— разработке моделей и методики расчёта эрозии стенок канала РК СПД, а также методики расчета потоков распыляемого материала вне канала с учетом массообмена продуктами распыления между стенками канала РК и возможного затенения некоторых участков стенок разрядной камеры и внешней поверхности, другими участками стенок;

— разработке методики моделирования изменения микрорельефа поверхности при облучении ее ионным потоком с новым способом задания граничных условий, позволяющим более адекватно учитывать влияние граничных условий на процесс распыления и перенапыление г материала с одних участков поверхности на другие.

Для достижения этих целей решались следующие основные задачи:

1. Разработка модели и методики расчета эрозии стенок РК в СПД с учетом перенапыления распыляемого материала стенок канала РК, двумерной по распылению при азимутальной симметрии задачи и трехмерной по перенапылению при расчете потоков распыленного материала стенок как внутри, так и вне канала.

2. Разработка оптимизационного алгоритма определения численных значений параметров модели по одному или двум экспериментальным профилям стенок каналов разрядной камеры (РК), полученным в процессе эрозионных или ресурсных испытаний двигателя.

3. Разработка модели и методики расчёта изменения микрорельефа облучаемой ионным потоком протяженной поверхности с учётом перенапыления и возможного затенения потоков распыленного материала различными участками поверхности.

Научная новизна работы.

В работе впервые получены следующие основные результаты:

1. Построена расчетная модель, позволяющая на основе оптимизационного подхода с использованием экспериментальных профилей проводить расчёты' эрозии стенок РК с высокой точностью для двигателей параметрического ряда современных СПД. Что продемонстрировано на примере двигателя СПД-100.

2. Построена трёхмерная модель и алгоритм расчета перенапыления в канале РК СПД и алгоритм расчета потоков распыленного материала вне канала с учетом эффектов затенения потоков перенапыления стенками канала РК.

3. Произведены расчёты эрозии стенок разрядной камеры с учетом напыления распыленного материала в канале РК СПД и показано, что толщина" напыленной в прианодной области пленки двигателя типа СПД-100 за время работы, равной ресурсу, может достигать 0.5 мм.

4. Для моделирования распыления облучаемой ионами поверхности бесконечной протяженности разработан метод исключения границ РО путем их замыкания, являющийся новым подходом, эффективным при решении задач, связанных с массобменом между различными областями протяженных поверхностей. Разработан также статистический метод построения случайной поверхности с заданными шероховатостью и распределением по углам наклона нормалей к микроплощадкам поверхности.

5. Выполнено моделирование эрозии облучаемой ионами протяженной шероховатой поверхности с учетом эффектов перенапыления и затеиения и показано, что определяющее влияние на увеличение или уменьшение шероховатости облучаемой ионным потоком поверхности аморфных тел, оказывает коэффициент прилипания распыленного материала. г".

Научная и практическая ценность.

Создана методика расчета эрозии стенок канала РК СПД с учетом перенапыления материала стенок, оснащенная удобным интерфейсом и позволяющая достаточно оперативно и точно рассчитывать профили эрозии стенок РК при различных численных значениях параметров рабочего режима и конструкции современных СПД. Такими параметрами в задаче приняты расход рабочего газа через ускорительный канал, разрядное напряжение, коэффициент распыления и плотность материала стенок канала, геометрические размеры канала и распределение индукции магнитного поля вдоль срединной его поверхности.

Трехмерная модель расчета перенапыления в канале РК распыляемого материала стенок канала позволяет рассчитывать осаждение пленок в прианодной области и потоки распыляемого материала вне канала. Последнее может быть использовано при определении загрязнения рабочих поверхностей элементов конструкции KJIA при работе СПД.

В модели канал РК может иметь произвольную форму, но состоять из азимутально-симметричных соосных поверхностей, что охватывает все существующие (и разрабатываемые) геометрии каналов СПД. Таким образом, разработанная методика и ее программная реализация удобны как в практическом, так и методическом плане. В настоящее время соответствующая программа регулярно используется в НИИПМЭ и в фирме SNECMA Motors, Франция для прогнозных расчетов эрозионных профилей стенок РК СПД различных модификаций при их различных наработках.

Разработанная методика моделирования распыления при облучении шероховатой поверхности позволяет изучать изменение микрогеометрии поверхности стенок РК в процессе длительной работы двигателя. Поэтому она будет использоваться при изучении закономерностей развития так называемой аномальной эрозии стенок РК, приводящей к возникновению на поверхности более или менее регулярной структуры глубоких квазипродольных бороздок. Моделирование распыления шероховатой поверхности позволит оценить влияние ионного распыления на развитие аномальной эрозии и ее влияние на работу двигателя при больших его наработках.

Применение нового метода замыкания границ расчетной области (РО) в разработанной методике уменьшает компьютерные затраты почти на порядок для 2х-мерной и примерно на полтора порядка для Зх-мерной РО по сравнению с затратами при применении периодических граничных условий, обычно используемых в такого рода задачах. Такой метод позволяет повысить физическую адекватность расчетной модели, и при равной погрешности обеспечивает значительный выигрыш в счете.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Положение о необходимости учета перенапыления распыленного со стенок РК СПД материала при расчете эрозии стенок РК из-за их распыления ускоренными ионами при длительной работе двигателя.

2. Принципы оптимизации численных параметров модели по результатам эрозионных или укороченных ресурсных испытаний.

3. Положение о возможности и целесообразности замыкания границ расчётной области путем перехода к криволинейным координатам и принцип статистического построения случайной поверхности с заданными гшероховатостью и распределением по углам наклона нормалей к микроплощадкам поверхности в задаче моделирования изменения шероховатости облучаемой ионами поверхности. 4. Положения о необходимости расчета массообмена между элементами и об определяющем влиянии прилипания перенапыляемого материала на увеличение или уменьшение шероховатости облучаемой ионами поверхности аморфного тела.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях по ионным двигателям в Индианаполисе в 1994 и в 2003гг., XXVIII-й Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 1998 г, XIV Международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью (Звенигород, 1999), X Международном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2000 г.), XV Международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью (Звенигород, 2001), XVI Международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью (Звенигород, 2003), XVII Международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью (Звенигород, 2005), Международной конференции по ионным двигателям в г. Кальяри, Сардиния, 2−4 июня, 2004, 4-й международной конференции «Авиация и космонавтика», (Москва, 10−13 октября 2005 г.), Международной конференции STAR-2006 «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности», (г.Саров, 4−6 апреля 2006 г.), XVIII Международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью (Звенигород, 2007).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 18 работ, список основных из которых приведён в конце автореферата. и.

Вклад автбра.

Личный вклад автора в работы, написанные в соавторстве и вошедшие в диссертацию, в большинстве работ является определяющим.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Она содержит 137 страниц текста, в том числе 35 рисунок и список литературы из 109 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результаты проведенного в предлагаемой работе исследования следующие:

1. Разработана прогнозная модель расчета профилей эрозии стенок канала разрядной камеры СПД. Прогноз может осуществляться как при отсутствии информации о результатах испытаний, так и с использованием профилей эрозии, полученных при относительно небольшой длительности работы двигателя. Показано, что при моделировании с использованием профилей эрозии, полученных после работы двигателя в течение ЗООчасов и. бООчасов прогноз для промежутков времени до 4000часов в полномасштабных испытаниях двигателя СПД-100, проведенных в ОКБ «Факел», дает отклонение между расчетными и измеренными профилями менее 10%. Это позволяет использовать прогнозную модель при испытаниях двигателей с конструкцией, аналогичной СПД-100, по ускоренной методике.

2. Разработаны версии прогнозной программы, рассчитывающие потоки распыляемого материала стенок канала в прианодную область и вне канала.

3. Показано, что за время работы СПД в прианодной области канала РК напыляется пленка из распыляемого материала толщиной до 0.5мм.

4. Построена трехмерная модель изменения рельефа облучаемых ионами поверхностей аморфных тел. В модели в отличие от других моделей учитывается массообмен распыляемым материалом между различными участками поверхности при возможном затенении потоков перенапыления промежуточными элементами поверхности.

5. Для адекватного численного моделирования распыления протяженной (в плоскости) поверхности предложены новые граничные условия. Разработана процедура замыкания границ расчетной области поверхности, благодаря чему, граничные условия исключены из рассмотрения. Такой прием позволяет на порядок сократить объем счета. Его можно применять в задачах, где размеры расчетной области много больше характерных размеров задачи (здесь размеры шероховатости), и присутствует массоили обмен излучением между различными областями рассматриваемых поверхностей или объемов.

6. Выполнено моделирование изменения микрогеометрии облучаемых ионами аморфных тел, с учетом потоков перенапыления и их возможного затенения. Проведены расчеты изменения рельефа и распределения по углам наклона микроплощадок облучаемой поверхности с параметрами, соответствующими керамике БГП. Обнаружено, что в зависимости от значения коэффициента прилипания ц поверхность либо сглаживается либо, наоборот, развивается.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность профессору В. Киму за содействие, оказанное на всех этапах выполнения работы от постановки задачи до программной реализации модели расчета эрозии в СПДпрофессору И. И. Шкарбану за многолетнее сотрудничество и помощь при выполнении представленной работы. Также автор благодарит А. А. Семенова, Т. В. Забровскую за техническую помощь, а также Е. В. Лукьянову и А. Ю. Фельдмана за всестороннее содействие, постоянно оказываемого при выполнении работы.