СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СТАЦИОНАРНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ В ПРОЦЕССЕ ВЫРАБОТКИ РЕСУРСА Российский патент 2005 года по МПК F03H1/00 

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при наземных испытаниях и при эксплуатации стационарных плазменных двигателей (СПД) различной мощности и электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ) на их основе.

Отличительной особенностью двигательных установок с электрореактивными двигателями (ЭРД) является длительность их работы, которая может составлять сотни и тысячи часов. Поэтому для ЭРД одними из важнейших являются ресурсные характеристики, что в полной мере относится также и к СПД.

Ресурс СПД определяется несколькими параметрами, в том числе эрозией изолятора разрядной камеры и тягой [1]. Подтверждение ресурса выполняется путем проведения ресурсных испытаний, по результатам которых оценивается надежность конструкции СПД в целом и прогнозируется динамика его параметров в процессе выработки ресурса.

Известен способ испытаний по подтверждению и прогнозированию ресурсных параметров СПД, включающий проведение ресурсных испытаний в течение выработки требуемого ресурса, в процессе которых выполняют измерения эрозии выходной части изолятора разрядной камеры и тяги [2].

В известном способе ресурсным испытаниям подвергается по меньшей мере один образец отрабатываемой конструкции двигателя. Время ресурсных испытаний СПД при этом, как правило, на 30...50% больше ресурса, требуемого при натурной эксплуатации СПД в составе ЭРДУ. По результатам проведенных ресурсных испытаний прогнозируются ресурсные параметры для последующих производимых двигателей, имеющих ту же конструкцию.

Такой известный способ обладает рядом существенных недостатков. При ресурсе двигателя в несколько сотен, а тем более в несколько тысяч часов, подтверждение ресурсных параметров становится довольно трудоемкой и сложной задачей. Поэтому известный способ является трудно реализуемым вследствие необходимости больших затрат времени на подтверждение полного ресурса и значительных материальных затрат на проведение самих испытаний.

Известен способ прогнозирования параметров СПД в процессе выработки ресурса, принятый за прототип, включающий проведение укороченных ресурсных испытаний, составляющих часть полного ресурса, в течение которых выполняют измерения эрозии разрядной камеры (δ_t), измерения тяги в начале (F_o) и в процессе (F_t) укороченных ресурсных испытаний, регрессионный анализ по определению аппроксимирующих зависимостей в виде монотонных функций эрозии разрядной камеры и тяги от времени работы и прогноз поведения тяги по определенной аппроксимирующей зависимости F_t=f(F_o,t) [3, 4].

В известном способе прогнозирования параметров СПД в процессе выработки ресурса устранен недостаток, присущий аналогу. При таком способе ресурсные испытания сокращаются и ведутся в течение ограниченного времени, составляющего только часть полного требуемого ресурса двигателя. В начале и по ходу укороченных ресурсных испытаний измеряют профили эрозии изолятора в выходной части разрядной камеры, а

также измеряют тягу. По результатам данных измерений эрозии и тяги, полученным в процессе укороченных ресурсных испытаний, методами регрессионного анализа определяют аппроксимирующие зависимости эрозии изолятора разрядной камеры и тяги от времени работы двигателя. Выявленные аппроксимирующие зависимости определяются методом подбора в виде монотонно изменяющихся функций. Эти зависимости затем используются для прогнозирования величин эрозии и тяги на все время полного ресурса, которыми будет обладать СПД.

Проведение укороченных ресурсных испытаний и прогнозирование эрозии изолятора и тяги на все время ресурса с использованием регрессионных аппроксимирующих зависимостей позволяют сократить по меньшей мере в три раза время ресурсных испытаний. Тем самым значительно сокращаются и материальные затраты на подтверждение ресурсных характеристик двигателей.

Однако и такой известный способ прогнозирования параметров СПД в ресурсе, принятый за прототип, имеет ряд существенных недостатков.

Во-первых, точность прогноза характеристик существенно зависит от выбора вида аппроксимирующих функций. В случае неправильного выбора этих функций может быть получена большая погрешность в прогнозных значениях параметров.

Во-вторых, ошибки в прогнозе значений тяги в ресурсе могут возникать вследствие использования аппроксимирующих зависимостей в виде монотонно изменяющихся функций. Причины этих ошибок в следующем. Известно, что в плазменных двигателях с замкнутым дрейфом электронов поверхность контакта ускоряемого потока со стенками канала разрядной камеры довольно значительна. Поэтому в таких двигателях стенки ускорительного канала разрядной камеры играют существенную роль (стр. 144 [5]). В частности, они обеспечивают замыкание части электронной составляющей разрядного тока за счет столкновения электронов со стенками канала разрядной камеры (стр. 158 [5], [6]). Величина этой электронной составляющей разрядного тока зависит от

геометрических характеристик канала (его ширины, а также внутреннего и наружного диаметров ограничительных стенок) разрядной камеры в зоне ускорения (стр. 155, 195 [5]).

Известно также, что в плазменных двигателях типа СПД под действием ускоряемого потока в процессе ресурса двигателя происходит эрозия стенок канала в выходной части разрядной камеры. При этом геометрические размеры разрядной камеры в ее выходной части постоянно изменяются так, что диаметр наружной стенки разрядной камеры увеличивается, а внутренней - уменьшается. Следствием изменения геометрических размеров зоны эрозии является изменение площади зоны контакта ускоренного потока с поверхностью разрядной камеры. Поэтому изменяется и доля электронной составляющей разрядного тока, обусловленная столкновениями электронов со стенками разрядной камеры в зоне ускорения.

Если в течение ресурса разрядный ток поддерживается постоянным, то при изменении электронной составляющей разрядного тока соотношение между электронной и ионной составляющими также будет изменяться. В частности, при увеличении электронной составляющей ионная составляющая будет уменьшаться, что при неизменном разрядном токе будет эквивалентно уменьшению тяги двигателя. Наличие указанного процесса подтверждается известными результатами ресурсных испытаний двигателя SPT-100 типа СПД [2, 8]. Анализ зависимости тяги этих двигателей от времени их работы показывает наличие трех периодов, следующих друг за другом, а именно:

первый период монотонного уменьшения тяги в течение 1200...1400 часов с начала ресурсных испытаний;

второй период увеличения тяги в течение последующих 600...800 часов практически до значения, измеренного в начале испытаний;

третий период стабильного значения тяги с незначительной тенденцией к ее увеличению в оставшееся время ресурса.

Для иллюстрации такого характера поведения тяги во время ресурса двигателей типа СПД на фиг.1 показана зависимость тяги от времени работы двигателя типа SPT-100 [2]. На этой же фигуре представлена зависимость суммарной площади эрозии наружной и внутренней стенок канала разрядной камеры от времени работы двигателя. Площади эрозии определены по результатам измерений геометрических размеров зоны эрозии данного типа двигателя [7].

Сопоставление графиков изменения тяги с графиком изменения площади эрозии в зависимости от времени ресурса показывает, что тяга двигателей изменяется обратно пропорционально площади эрозии.

Расход рабочего тела в двигатель также изменяется в соответствии с изменением тяги (фиг.7 [2]). Этот факт указывает на то, что уменьшение тяги связано именно с увеличением электронной составляющей в суммарном разрядном токе и связано с изменением площади эрозии, определяющей зону контакта.

Подобный эффект нестабильности, т.е. немонотонности, тяги в процессе выработки ресурса присущ не только СПД одного типоразмера, но и СПД одного типоразмера, работающих при различных мощностях разряда, а также и для всего параметрического ряда СПД других типоразмеров.

Известный способ прогнозирования параметров СПД в ресурсе предполагает после проведения укороченных ресурсных испытаний поиск таких аппроксимирующих зависимостей тяги от времени работы, которые носят монотонно изменяющийся характер. Однако, так как тяга в ресурсе может изменяться немонотонно, использование такого вида функций при прогнозе может дать как качественную, так и существенную количественную ошибку.

Так, при использовании известного способа для прогноза при укороченных испытаний длительностью 1200...1400 часов и применении для прогноза параметров СПД в течение всего ресурса монотонно изменяющейся функции для двигателя [2] сделанный прогноз о монотонном уменьшении тяги в течение всего ресурса будет выполнен с очень большой погрешностью.

При создании изобретения решалась задача повышения точности прогноза тяги по результатам укороченных ресурсных испытаний.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе прогнозирования параметров СПД в процессе выработки ресурса, включающем проведение укороченных ресурсных испытаний, составляющих часть полного ресурса, в течение которых выполняют измерения эрозии разрядной камеры (δ_t), измерения тяги в начале (F_o) и в процессе (F_t) укороченных ресурсных испытаний, регрессионный анализ по определению аппроксимирующих зависимостей в виде монотонных функций эрозии разрядной камеры и тяги от времени работы и прогноз поведения тяги по определенной аппроксимирующей зависимости F_t=f(F_o, t), согласно изобретению, в начале укороченных ресурсных испытаний и в процессе их проведения дополнительно определяют площади эрозии (S_o, S_t), по результатам которых регрессионным анализом определяют аппроксимирующую зависимость площади эрозии от времени ресурса S_t=f(t) и функциональную зависимость тяги от площади эрозии F=f(k, S), где k - коэффициент пропорциональности между тягой и площадью эрозии, которые учитывают при прогнозе поведения тяги в течение полного ресурса, а тягу определяют по зависимости F_t=f(F_o, k, S_t, S_o).

В предлагаемом способе прогнозирования параметров СПД в ресурсе по результатам укороченных испытаний использована зависимость, выявленная экспериментальным путем, между тягой и площадью эрозии - тяга в ресурсе изменяется обратно пропорционально площади эрозии (см. фиг.1).

Учет функциональной зависимости тяги от площади эрозии при прогнозировании параметров СПД в процессе выработки ресурса позволяет существенно повысить точность прогноза параметров в ресурсе, так как выявленная функциональная зависимость достаточно хорошо коррелирует с физической сутью процессов, происходящих в СПД. Расчетные значения тяги, определенные по предлагаемому способу, количественно и качественно соответствуют значениям тяги, полученным при испытаниях двигателей типа СПД на полный ресурс.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 в качестве примера показаны значения тяги, полученные при ресурсных испытаниях двигателя типа SPT-100 [2], и значения тяги в течение полного ресурса, рассчитанные согласно предлагаемому способу. Для расчета тяги в течение полного ресурса использовались результаты ее измерений, полученные за первые 1000 часов ресурсных испытаний. Этот промежуток времени составляет примерно третью часть от полного времени ресурса, результаты которого показаны на рис. 4 [2]. Для определения площади эрозии в ресурсе использовались результаты измерений эрозии двигателя этого же типоразмера СПД за аналогичный промежуток времени [7].

Сравнение значений тяги, измеренных за оставшееся время ресурса, с расчетными значениями для того же времени ресурса демонстрирует их хорошее соответствие друг другу как в количественном, так и в качественном отношении.

На фиг.2 в качестве примера показаны значения тяги, полученные при ресурсных испытаниях двигателя другого типоразмера типа SPT-70, геометрические размеры канала разрядной камеры которого примерно в 1,4 раза меньше, чем у SPT-100. На этой же диаграмме показана зависимость суммарной площади эрозии разрядной камеры и расчетная тяга от времени работы, значения которой были получены с использованием предлагаемого способа прогнозирования. Для расчета первые 1000 часов ресурса из обшей длительности ресурсных испытании (3100 часов) использовались в качестве аналога укороченных ресурсных испытаний.

Сравнение значений тяги, измеренных за оставшееся время ресурса, с расчетными значениями для того же периода ресурса для двигателя SPT-70 так же, как и для двигателя SPT-100 демонстрирует их хорошее совпадение между собой как в количественном, так и в качественном отношении. Для иллюстрации данного факта на той же фиг.2 показана линия тренда, усредняющая текущие значения тяги для данного момента времени ресурса.

Таким образом, способ прогнозирования параметров СПД в процессе выработки ресурса, предлагаемый согласно изобретению, позволяет значительно повысить точность прогнозирования поведения тяги в процессе всего времени ресурса за счет определения площади эрозии разрядной камеры и последующего учета данного фактора при прогнозировании параметров СПД.

Предлагаемый способ прогнозирования параметров в ресурсе по результатам укороченных ресурсных испытаний применим и для других двигателей СПД различных типоразмеров и мощностей разряда.

Способ прогнозирования параметров СПД в процессе выработки ресурса осуществляется следующим образом.

Сначала проводят ресурсные испытания на укороченной временной базе, составляющей часть полного ресурса двигателя типа СПД. В начале и в процессе укороченных ресурсных испытаний выполняют измерения тяги (F_o, F_t), эрозии (δ) и расчет площади эрозии (S_o, S_t) в выходной части канала разрядной камеры. По результатам определения площади эрозии методами регрессионного анализа выявляют зависимость площади эрозии от времени ресурса S_t=f(t). Затем методами регрессионного

анализа определяют функциональную зависимость тяги от площади эрозии F=f(k, S), из которой определяют коэффициент пропорциональности между этими параметрами - k. Значения тяги на все оставшееся время полного ресурса (F_t) определяют по зависимости F_t=f(F_o, k, S_t, S_o), учитывающей значения тяги и площади эрозии на начало ресурса (F_o, S_o), зависимость площади эрозии от времени ресурса (S_t) и коэффициент пропорциональности между тягой и площадью эрозии k.

Источники информации

1. Баранов В.И., Васин А.И., Петросов В.А. Проблемы ускоренных испытаний ЭРД. В сб. Ракетно-космическая техника. Ракетные двигатели и энергетические установки. НИИТП, 1991, с.7-22.

2. С.Е.Garner, J.R.Brophy, J.E.Polk and C.Pless. "Cyclic endurance test of a SPT-100 stationary plasma thruster". 3rd Russian-German Conference on Electric Propulsion Engines and their technical application, Stuttgart, Germany, July 19-23, 1994.

3. Баранов В.И., Васин А.И., Лебедев В.Г., Петросов В.А Прогнозирование износа изолятора стенки ускорительного канала СПД по результатам ускоренных испытаний. В сб. Ракетно-космическая техника. Ракетные двигатели и энергетические установки. НИИТП, 1991, с.176-187 - прототип.

4. Баранов В.И., Васин А.И., Петросов В.А. Особенности деградации тяги при ресурсных испытаниях СПД. В сб. Ракетно-космическая техника. Ракетные двигатели и энергетические установки. НИИТП, 1991, с.204-217 - прототип

5. Белан Н.В. и др. Стационарные плазменные двигатели. Харьков, ХАИ, 1989.

6. Морозов А.И., Есипчук Ю.В., Тилинин Г.В. и др. Экспериментальное исследование плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения. - ЖТФ 1972. Т.42, вып.1, с.54-63.

7. S.K.Absalamov, R.Y.Gnizdor et al. "Measurement of plasma parameters in the stationary plasma thruster (SPT-100) plume and its effect on spacecraft components". AIAA-92-3156, July, 1992.

8. B.A.Arkhipov, R.Y.Gnizdor et al. "The Results of 7000 Hour SPT-100 Life Testing". IEPC-95-039. 24th International Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, 1995.

Изобретение относится к космической технике и может использоваться при наземных испытаниях и эксплуатации в условиях космического пространства стационарных плазменных двигателей (СПД) различной мощности и электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ) на их основе. В способе прогнозирования параметров стационарного плазменного двигателя в процессе выработки ресурса, включающем проведение укороченных ресурсных испытаний, составляющих часть полного ресурса, в течение которых выполняют измерения эрозии разрядной камеры (δ_t), измерения тяги в начале (F_o) и в процессе (F_t) укороченных ресурсных испытаний, регрессионный анализ по определению аппроксимирующих зависимостей в виде монотонных функций эрозии разрядной камеры и тяги от времени работы и прогноз поведения тяги по определенной аппроксимирующей зависимости F_t=f(F_o, t), в начале укороченных ресурсных испытаний и в процессе их проведения дополнительно определяют площади эрозии (S_o, S_t), по результатам которых регрессионным анализом определяют аппроксимирующую зависимость площади эрозии от времени ресурса S_t=f(t) и функциональную зависимость тяги от площади эрозии F=f(k, S), где k - коэффициент пропорциональности между тягой и площадью эрозии, которые учитывают при прогнозе поведения тяги в течение полного ресурса, а тягу определяют по зависимости F_t=f(F_o, k, S_t, S_o). Изобретение позволяет повысить точность прогнозирования параметров стационарного плазменного двигателя в ресурсе. 2 ил.

Способ прогнозирования параметров стационарного плазменного двигателя в процессе выработки ресурса, включающий проведение укороченных ресурсных испытаний, составляющих часть полного ресурса, в течение которых выполняют измерения эрозии разрядной камеры (δ_t), измерения тяги в начале (F_o) и в процессе (F_t) укороченных ресурсных испытаний, регрессионный анализ по определению аппроксимирующих зависимостей в виде монотонных функций эрозии разрядной камеры и тяги от времени работы и прогноз поведения тяги по определенной аппроксимирующей зависимости F_t=f(F_o,t), отличающийся тем, что в начале укороченных ресурсных испытаний и в процессе их проведения дополнительно определяют площади эрозии (S_o,S_t), по результатам которых регрессионным анализом определяют аппроксимирующую зависимость площади эрозии от времени ресурса S_t=f(t) и функциональную зависимость тяги от площади эрозии F=f(k, S), где k - коэффициент пропорциональности между тягой и площадью эрозии, которые учитывают при прогнозе поведения тяги в течение полного ресурса, а тягу определяют по зависимости F_t=f(F_o, k, S_t, So).