RU2743606C1 - Способ ускоренного определения ресурса элементов двигателя с замкнутым дрейфом электронов - Google Patents

Способ ускоренного определения ресурса элементов двигателя с замкнутым дрейфом электронов Download PDF

Info

Publication number
RU2743606C1
RU2743606C1 RU2020131907A RU2020131907A RU2743606C1 RU 2743606 C1 RU2743606 C1 RU 2743606C1 RU 2020131907 A RU2020131907 A RU 2020131907A RU 2020131907 A RU2020131907 A RU 2020131907A RU 2743606 C1 RU2743606 C1 RU 2743606C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
engine
erosion
coating
profile
short
Prior art date
Application number
RU2020131907A
Other languages
English (en)
Inventor
Евгений Валентинович Воробьев
Сергей Геннадьевич Ивахненко
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Priority to RU2020131907A priority Critical patent/RU2743606C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2743606C1 publication Critical patent/RU2743606C1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M1/00—Testing static or dynamic balance of machines or structures

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)

Abstract

Использование: в космической технике при наземной отработке новых моделей двигателей с замкнутым дрейфом электронов (ДЗДЭ) и при переводе их на альтернативные рабочие вещества. Способ ускоренного определения ресурса элементов ДЗДЭ, заключающийся в последовательном выполнении циклов работы двигателя, включающих нанесение на поверхность исследуемого элемента многослойного покрытия, состоящего из чередующихся пар оптически контрастных слоев, кратковременные испытание двигателя до полного распыления нанесенного покрытия, определение профиля эрозии многослойного покрытия по картине распыления, расчетное прогнозирование профиля эрозии за заданное время, механическая обработка исследуемого элемента с целью придания ему рассчитанной формы. Отличие способа заключается в использовании многослойных покрытий для определения скорости эрозии исследуемой поверхности, что многократно снижает время эксперимента. Для определения коэффициентов пропорциональности между скоростью распыления материала элемента ДЗДЭ и многослойных покрытий на первом цикле производится короткое ресурсное испытание двигателя с последующим прямым измерением профиля эрозии. В остальных циклах скорость эрозии материала элементов ДЗДЭ определяется по картине распыления многослойных покрытий с использованием полученных коэффициентов пропорциональности. Технический результат: снижение времени экспериментального определения ресурса новых перспективных моделей ДЗДЭ при стендовой отработке.

Description

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при проведении стендовых наземных испытаний двигателей с замкнутым дрейфом электронов.
Ресурс является одной из важнейших эксплуатационных характеристик электрических ракетных двигателей. Ресурс определяется, в основном, критическим уровнем эрозии элементов двигателя, таких как стенки ускорительного канала, под действием ионной бомбардировки. При разработке и подготовке к эксплуатации новых моделей ДЗДЭ ресурсные испытания являются одной из важнейших стадий стендовой отработки. Важно отметить, что в последние годы с появлением крупных орбитальных группировок космических аппаратов, таких как Starlink, «Сфера» и др. количество производимых электрических ракетных двигателей значительно растет. Это приводит к необходимости смены рабочего вещества электроракетных двигателей с традиционного ксенона на более дешевые альтернативные вещества, такие как криптон. Такой переход требует проведения большого объема стендовых испытаний по оптимизации параметров двигателей и определению их влияния на ресурс. В то же время ресурс современных ДЗДЭ достигает 5000-10000 часов, поэтому ресурсные испытания являются наиболее длительным и дорогим этапом их стендовой отработки. Для сокращения времени ресурсных испытаний существует несколько методик.
Для ускорения ресурсных испытаний возможно форсировать режим работы двигателя [1]. При этом двигатель испытывают на таких режимах, при которых скорость распыления поверхностей элементов значительно увеличивается. Однако в случае ДЗДЭ форсирование режима работы требует оптимизации конфигурации магнитного поля в канале, что, в свою очередь, может изменить границы области эрозии. Ускорить ресурсные испытаний ДЗДЭ возможно путем изготовления распыляемых элементов из материала с более высоким коэффициентом распыления [2]. При этом возрастет скорость распыления стенок без существенного изменения параметров работы.
Наиболее эффективным способом сокращения времени ресурсных испытаний является метод циклических испытаний [3, 4], взятый за прототип. Метод заключается в том, что скорости эрозии элементов ДЗДЭ измеряются после относительно короткой наработки. По полученным скоростям рассчитывается форма поверхности после некоторого времени работы, τцк, составляющего часть полного ресурса двигателя. Затем при помощи механической обработки поверхности исследуемого элемента придается рассчитанная форма и цикл повторяется.
Общим недостатком этих методов является тот факт, что для их применения необходимо обеспечить глубину эрозии достаточную для точных измерений профиля распыленной поверхности. Как правило, глубина эрозии должна составлять несколько сотен микрометров, при этом длительность стендовой наработки на каждом цикле может составлять десятки и сотни часов. В результате применения метода циклических испытаний время ресурсного испытания сокращается примерно в 5 раз, но при общем ресурсе двигателя в несколько тысяч часов, все равно остается достаточно большим, а сам эксперимент - сложным и дорогостоящим. Поэтому использование такого способа не всегда экономически выгодно, особенно при отработке перспективных конструкций и при оценке влияния рабочего вещества и режима работы двигателя на его ресурс.
При разработке настоящего изобретения решалась задача сокращения времени стендовой работы двигателя в каждом отдельном цикле путем использования новой методики измерения скорости эрозии поверхности, разрешающая способность которой превосходит существующие способы. Технический результат: снижение времени экспериментального определения ресурса новых перспективных моделей ДЗДЭ при стендовой отработке.
Метод измерения скорости эрозии элементов ДЗДЭ, лежащий в основе изобретения, основан на нанесении на всю исследуемую поверхность многослойного покрытия, состоящего из чередующихся пар оптически контрастных металлических слоев [5]. Отдельные слои имеют толщину от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. При распылении такого покрытия неоднородным потоком ионов из плазмы ускорительного канала на поверхности проявится контрастная картина, состоящая из чередующихся разноцветных полос, соответствующих соседним слоям из разных материалов. При этом границы между полосами являются линиями равной глубины эрозии. По изображению картины распыления многослойного покрытия строится профиль скорости эрозии поверхности покрытия за время короткого эксперимента. Полученные значения скоростей эрозии используются для прогнозирования формы исследуемого элемента за время τ, составляющее часть полного ресурса двигателя.
Способ ускоренного определения ресурса элементов двигателей с замкнутым дрейфом электронов, заключающийся в последовательном выполнении циклов состоит из кратковременной работы двигателя в течение времени tэл, измерения профиля эрозии распыляющегося элемента конструкции двигателя, прогнозирования формы распыляющегося элемента за время τцк, придания элементу конструкции спрогнозированной формы, повторения циклов до достижения распыляющимся элементом предельной геометрии и определения ресурса двигателя как суммы времени по всем циклам tэл+n⋅τцк. При этом проводят однократные кратковременные испытания двигателя и определяют скорость износа материала конструкции. На исследуемую поверхность распыляемого элемента конструкции наносят многослойное покрытие, состоящее из чередующихся оптически контрастных металлических слоев. Проводят кратковременные испытания двигателя с нанесенным покрытием; выполняют фоторегистрацию картины распыления. По изображению картины распыления определяют скорость эрозии распыляемого элемента с покрытием и соотношение скорости распыления элемента с покрытием и без него. Прогнозируют профиль исследуемого элемента за время работы двигателя τцк с использованием соотношения скорости распыления с покрытием и без него и придают элементу двигателя спрогнозированный профиль. Наносят на спрогнозированный профиль многослойное покрытие, состоящее из чередующихся оптически контрастных металлических слоев, и повторяют кратковременные испытания двигателя с нанесенным покрытием.
Для вычисления скоростей эрозии поверхности элементов ДЗДЭ из полученных по картинам распыления скоростей эрозии многослойного покрытия необходимы данные о функции распределения ионов по энергиям, а также зависимости коэффициентов распыления материалов отдельных слоев покрытия и исследуемых элементов ДЗДЭ от энергии ионов. Функция распределения ионов по энергиям зависит от конкретного режима работы двигателя и оценивается с достаточно низкой точностью. Поэтому для определения зависимости между скоростью распыления материала элемента и многослойного покрытия на первом цикле испытаний после распыления покрытия и фиксации картины контрастных полос производится кратковременное ресурсное испытание двигателя в течение времени, достаточного для прямого измерения профиля поверхности. Затем на границах полос производятся вычисление коэффициентов пропорциональности, равных отношению скорости распыления материала исследуемого элемента к скорости распыления многослойного покрытия:
Figure 00000001
где z, ϕ - осевая и угловая координаты границы полосы;
Figure 00000002
- скорости распыления материала исследуемого элемента и покрытия; hэл(z, ϕ) - глубина эрозии исследуемого элемента за время tэл; n1(z, ϕ), n2(z, ϕ) - количество слоев 1-го и 2-го материала многослойного покрытия, полностью распыленных в данной точке; δ1, δ2 - толщины слоев первого и второго материалов; tпокр - время распыления многослойного покрытия.
В последующих циклах испытаний эквивалентная скорость распыления поверхности исследуемого элемента вычисляется по формуле:
Figure 00000003
Определение ресурса элементов двигателя с замкнутым дрейфом электронов предлагаемым способом осуществляется в следующей последовательности:
1. Нанесение на исследуемые поверхности элементов ДЗДЭ многослойных покрытий, состоящих из чередующихся оптически контрастных металлических слоев.
2. Кратковременное испытание ДЗДЭ до сквозного распыления многослойного покрытия в одной точке.
3. Фоторегистрация картины распыления многослойного покрытия и построение профиля скорости его эрозии.
4. Испытание ДЗДЭ в течение времени tэл, достаточного для прямого измерения профиля эрозии исследуемого элемента. Измерение профиля эрозии исследуемого элемента и определение коэффициентов пропорциональности (1).
5. Расчет формы поверхности исследуемого элемента после некоторого времени работы τцк, составляющего часть полного ресурса ДАС.
6. Механическая обработка исследуемого элемента с целью придания их рабочей поверхности рассчитанной формы.
7. Нанесение на рабочие поверхности элементов ДЗДЭ многослойных покрытий, состоящих из чередующихся оптически контрастных металлических слоев.
8. Кратковременное испытание ДАС до сквозного распыления многослойного покрытия в одной единственной точке.
9. Фоторегистрация картины распыления многослойного покрытия и построение профиля скорости его эрозии. С использованием полученных на этапе 4 коэффициентов пропорциональности вычисление скоростей эрозии исследуемого элемента.
10. Повторение шагов 5-9 до достижения предельной геометрии исследуемого элемента ДЗДЭ.
11. Суммарный ресурс определяется как сумма tэл+n⋅τцк, где n - количество циклов.
Источники информации
1. Архипов А.С., Ким В.П., Сидоренко Е.К. Стационарные плазменные двигатели Морозова. М.: Изд-во МАИ, 2012. 292 с.
2. Semenkin A.V. at all. RHETT-EPDM Flight Anode Layer Thruster Development.25th International Electric Propulsion Conference. Cleveland. 1997. P. 1-6.
3. Латышев Л.А., Соколоверов А.П., Хартов C.A., Чуян Р.К. Поэтапная методика испытаний ускорителей с замкнутым дрейфом электронов. В сб.: Ракетно-космическая техника. Ракетные двигатели и энергетические установки. НИИТП, 1991, с. 71-78 (прототип).
4. Kim V. at all. Development of the accelerated test procedure for the spt discharge chamber wall wearing during long thruster operation. 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Huntsville. 2003. P. 1-11. (прототип).
5. Vorobyev E.V. at all. Technique for the Visualization and Determination of the Surface Erosion Profile Caused by Ion Bombardment.Journal of Surface Investigation.X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2016. Vol. 10, No.1. P. 10-14. (прототип).

Claims (1)

  1. Способ ускоренного определения ресурса элементов двигателей с замкнутым дрейфом электронов, заключающийся в последовательном выполнении циклов, состоящих из кратковременной работы двигателя в течение времени tэл, измерения профиля эрозии распыляющегося элемента конструкции двигателя, прогнозирования формы распыляющегося элемента за время τцк, придания элементу конструкции спрогнозированной формы, повторения циклов до достижения распыляющимся элементом предельной геометрии и определения ресурса двигателя как суммы времени по всем циклам tэл+n⋅τцк, отличающийся тем, что проводят однократные кратковременные испытания двигателя и определяют скорость износа материала конструкции; на исследуемую поверхность распыляемого элемента конструкции наносят многослойное покрытие, состоящее из чередующихся оптически контрастных металлических слоев; проводят кратковременные испытания двигателя с нанесенным покрытием; выполняют фоторегистрацию картины распыления; по изображению картины распыления определяют скорость эрозии распыляемого элемента с покрытием и соотношение скорости распыления элемента с покрытием и без него; прогнозируют профиль исследуемого элемента за время работы двигателя τцк с использованием соотношения скорости распыления с покрытием и без него и придают элементу двигателя спрогнозированный профиль; наносят на спрогнозированный профиль многослойное покрытие, состоящее из чередующихся оптически контрастных металлических слоев, и повторяют кратковременные испытания двигателя с нанесенным покрытием.
RU2020131907A 2020-09-28 2020-09-28 Способ ускоренного определения ресурса элементов двигателя с замкнутым дрейфом электронов RU2743606C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020131907A RU2743606C1 (ru) 2020-09-28 2020-09-28 Способ ускоренного определения ресурса элементов двигателя с замкнутым дрейфом электронов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020131907A RU2743606C1 (ru) 2020-09-28 2020-09-28 Способ ускоренного определения ресурса элементов двигателя с замкнутым дрейфом электронов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2743606C1 true RU2743606C1 (ru) 2021-02-20

Family

ID=74666251

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020131907A RU2743606C1 (ru) 2020-09-28 2020-09-28 Способ ускоренного определения ресурса элементов двигателя с замкнутым дрейфом электронов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2743606C1 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2141605A1 (en) * 1993-06-21 1995-01-05 Alexei Morozov Device for measuring changes in the thrust of a plasma engine with closed electron drift
RU2251090C1 (ru) * 2003-09-01 2005-04-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" Способ прогнозирования изменения параметров стационарного плазменного двигателя в процессе выработки ресурса
RU2327132C1 (ru) * 2006-10-09 2008-06-20 Федеральное государственное унитарное предприятие Федерального космического агентства "Опытное конструкторское бюро "Факел" Способ определения расхода рабочего тела в плазменном двигателе при его работе в составе электрореактивной двигательной установки на борту космического аппарата

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2141605A1 (en) * 1993-06-21 1995-01-05 Alexei Morozov Device for measuring changes in the thrust of a plasma engine with closed electron drift
RU2251090C1 (ru) * 2003-09-01 2005-04-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" Способ прогнозирования изменения параметров стационарного плазменного двигателя в процессе выработки ресурса
RU2327132C1 (ru) * 2006-10-09 2008-06-20 Федеральное государственное унитарное предприятие Федерального космического агентства "Опытное конструкторское бюро "Факел" Способ определения расхода рабочего тела в плазменном двигателе при его работе в составе электрореактивной двигательной установки на борту космического аппарата

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Латышев Л.А., Соколоверов А.П., Хартов C.A., Чуян Р.К. Поэтапная методика испытаний ускорителей с замкнутым дрейфом электронов. В сб. Ракетно-космическая техника. Ракетные двигатели и энергетические установки. НИИТП, 1991, с. 71-78. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Peterson et al. Nasa's Hermes hall thruster electrical configuration characterization
Wirz et al. Time-dependent erosion of ion optics
Riad et al. Evaluation of neural networks in the subject of prognostics as compared to linear regression model
CN110058097A (zh) 一种霍尔推力器加速寿命试验方法
Xu et al. A practical approach to flow field reconstruction with sparse or incomplete data through physics informed neural network
RU2743606C1 (ru) Способ ускоренного определения ресурса элементов двигателя с замкнутым дрейфом электронов
Zakharov et al. Balanced source terms for wave generation within the Hasselmann equation
Henderson et al. Jet noise prediction comparisons with scale model tests and Learjet flyover data
KR101510373B1 (ko) 태양 코로나홀에 따른 우주 전파 환경 변화 예측 방법 및 장치
Fritsch et al. Turbulence and pressure fluctuations in rough wall boundary layers in pressure gradients
Kong et al. Study on condition monitoring of 2-Spool turbofan engine using non-linear gas path analysis method and genetic algorithms
Boyd Computation of the plume of an anode-layer Hall thruster
Lopez Ortega et al. Numerical simulations of the XR-5 Hall thruster for life assessment at different operating conditions
Alekseenko et al. Application of the method of particle image velocimetry for analyzing turbulent flows with a periodic component
RU2244158C1 (ru) Способ прогнозирования параметров стационарного плазменного двигателя в процессе выработки ресурса
Zhou et al. Novel strategy for thermal evaluation of film-cooled blades using thermographic phosphors at simulated engine conditions
Korsun et al. The distinction between the ep plume expansion in space and in vacuum chamber
Matsumura et al. Feasibility of Detecting Streamwise Vortices from Roughness Elements Using Temperature Sensitive Paint in a Mach 4 Ludweig Tube (Student Design Winner)
Eagle et al. The erosion prediction impact on current Hall thruster model development
Huang et al. A low-cost optical approach to evaluate the life time of hall thruster discharge channel
Boerner et al. Numerical Simulation of Faraday Probe Measurements in a Multi-Component Nonequilibrium Plasma
Kim et al. Development of the accelerated test procedure for the SPT discharge chamber wall wearing during long thruster operation
Tian et al. Polynomial regression calculation of the Earth's position based on millisecond pulsar timing
Gao et al. Pressure field measurement on compressor cascade using pressure-sensitive paint
RU2251090C1 (ru) Способ прогнозирования изменения параметров стационарного плазменного двигателя в процессе выработки ресурса

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210917

Effective date: 20210917