Научная статья на тему 'МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭРОЗИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ'

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭРОЗИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
16
2
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ИЗЛУЧЕНИЕ / ПЛАЗМА / ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ / ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ / КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ / КОЭФФИЦИЕНТ ДЕГРАДАЦИИ

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Гончаров Павел Сергеевич

В статье представлена методика экспериментального моделирования эрозионного воздействия излучения плазмы электрического ракетного двигателя (ЭРД) на терморегулирующие покрытия (ТРП) на вакуумной установке ВУ-М вакуумной системы ВС-1. Описана используемая лабораторноэкспериментальная база и порядок проведения испытаний. Приведены соотношения для расчета коэффициентов деградации оптических коэффициентов ТРП.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Гончаров Павел Сергеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

METHODOLOGY OF EXPERIMENTAL MODELING OF THE EROSION EFFECT OF PLASMA RADIATION OF AN ELECTRIC ROCKET ENGINE ON THE THERMOREGULATING COATING

The article presents f methodology for experimental modelingangular motionerosion exposure to radiation by the fruits of the of the electric rocket engine (ERD) on the thermoregulating coating (TRP) on the vacuum installation system (VS-1). The mental base used and the procedure for testing are described. All relations for caiculating coefficients are given TRP.

Текст научной работы на тему «МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭРОЗИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ»

Key words: web application, front-end, back-end, PHP, Python, JavaScript, HTML, CSS. KachkovMikhail Sergeevich, bachelor, operator, era1@mil.ru, Russia, Anapa, FGAU«MIT «ERA», Pakhomov Pavel Alexandrovich, magister, senior operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA», Gorin Ivan Andreevich, specialist, operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»

УДК 629.78

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-62-67

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭРОЗИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

НА ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ

П.С. Гончаров

В статье представлена методика экспериментального моделирования эрозионного воздействия излучения плазмы электрического ракетного двигателя (ЭРД) на терморегулирующие покрытия (ТРП) на вакуумной установке ВУ-М вакуумной системы ВС-1. Описана используемая лабораторно-экспериментальная база и порядок проведения испытаний. Приведены соотношения для расчета коэффициентов деградации оптических коэффициентов ТРП.

Ключевые слова: излучение, плазма, электрический ракетный двигатель, терморегулирующее покрытие, космический аппарат, коэффициент деградации.

В процессе функционирования космического аппарата (КА) на его системы и элементы происходит воздействие естественных и техногенных факторов космического пространства (потоков прямого и отраженного солнечного излучения, собственного теплового излучения Земли, космической радиации, метеорных потоков и частиц космического мусора, плазмы электрических ракетных двигателей и пр.), приводящее к соответствующему ухудшению технических параметров. К одному из таких факторов следует отнести эрозионное воздействие излучения плазмы электрических ракетных двигателей (ЭРД) [1-4].

Эрозионное воздействие излучения плазмы ЭРД приводит к деградации оптических коэффициентов терморегулирующих покрытий (ТРП) внешних элементов КА, что приводит к нарушению их теплового баланса, и, как следствие, к нарушению нормального функционирования системы обеспечения теплового режима (СОТР) КА.

Уравнение теплового баланса для внешних элементов имеет вид [5]: —Т

т • с,- • —" = + вор + всоб, + £атм,- + бвн,- - бизл,- , (1)

где т,, с1, - соответственно масса, теплоемкость и температура ,-го элемента; в, - тепловой поток прямого солнечного излучения, поглощаемый ,-ым элементом; 2отр, - тепловой поток отраженного от Земли солнечного излучения, поглощаемый ,-ым элементом; всоб, - тепловой поток собственного излучения Земли, поглощаемый ,-ым элементом; 2атм, - атмосферный тепловой поток, поглощаемый ,-ым элементом; 2изл, - тепловой поток, излучаемый поверхностью ,-го элемента; 2вн, - тепловой поток,

подводимый к ,-му элементу от внутренних элементов КА.

Тепловые потоки, входящие в уравнение (1) определяются из следующих соотношений [5]:

в,= Аг я, • 8, (2)

где - плотность падающего на ,-й элемент прямого солнечного теплового потока; А,, - коэффициент

поглощения солнечного излучения поверхностью ,-го элемента; - площадь проекции ,-го элемента на плоскость, перпендикулярную направлению прямого солнечного теплового потока;

вотр, дотр 8отр, , (3)

где Цотр - плотность отраженного от Земли солнечного теплового потока, падающего на 1-й элемент;

^отрг - площадь проекции 1-го элемента на плоскость, перпендикулярную направлению отраженного от Земли солнечного теплового потока;

Особг = 8г ' Чсоб ' ^собг , (4)

где - степень черноты поверхности г-го элемента; Цсоб - плотность падающего на 1-й элемент

собственного теплового потока от Земли; Sсобi - площадь проекции г-го элемента на плоскость, перпендикулярную направлению собственного теплового потока от Земли;

батмг Цатм ^атмг , (5)

где Цатм - плотность атмосферного теплового потока, воздействующего на г-й элемент; ^атмг- - площадь

проекции г-го элемента на плоскость, перпендикулярную вектору скорости КА (площадь миделя г-го элемента);

бизл,- = 8 -Vт,4 ■ ^пов,, (6)

где Т - температура г-го элемента; $повг. - площадь поверхности г-го элемента, излучающей в

окружающее пространство.

Внутренний тепловой поток бвнг- определяется электрической мощностью, потребляемой

бортовой аппаратурой в режиме потребления и коэффициентом полезного действия приборов.

Из выражений (2) - (6) следует, что рассмотренные выше коэффициент поглощения

солнечного излучения и степень черноты поверхности элемента КА во многом определяют

процесс теплообмена КА с окружающим пространством. При этом коэффициент поглощения солнечного излучения определяет поглощательную способность элементов КА по отношению к прямому и отраженному от Земли солнечному излучению. Степень черноты элементов КА определяет излучательную способность КА и поглощательную способность элементов КА по отношению к собственному тепловому потоку Земли.

Количественные характеристики деградации оптических коэффициентов могут быть получены по данным космических экспериментов или по результатам экспериментального моделирования (лабораторных испытаний).

Представляемая в статье методика предназначена для выполнения экспериментального моделирования эрозионного воздействия излучения плазмы ЭРД на ТРП на вакуумной установке ВУ-М вакуумной системы ВС-1 [6]. В ходе экспериментального моделирования выполняются испытания. По результатам испытания оформляется протокол.

При выполнении экспериментального моделирования определяется коэффициенты деградации следующих характеристик ТРП элемента конструкции КА (далее в тексте - ТРП):

- коэффициента поглощения солнечного излучения - кА!,;

- степени черноты - к8 ;

Коэффициенты деградации кАб, и к8 определяются по соотношениям:

Авозд (у ^

к = ' V воздУ, (7)

А3

где Ахвозд - коэффициент поглощения солнечного излучения ТРП после воздействия плазмы ЭРД; Хвозд

- параметры излучения плазмы и режима работы ЭРД; Ах - коэффициент поглощения солнечного излучения ТРП до воздействия плазмы ЭРД,

^ВОЗД (у \

кЕ=-(8)

8 8

где 8возд - степень черноты ТРП после воздействия плазмы ЭРД; Хвозд - параметры излучения плазмы и режима работы ЭРД; 8 - степень черноты ТРП до воздействия плазмы ЭРД.

Также в ходе экспериментального моделирования определяется мощность излучения плазмы ЭРД в зависимости от значений параметров работы ЭРД (массового расхода РТ, силы тяги, напряжения между электродами ЭРД и ионного тока).

Методика экспериментального моделирования состоит из выполнения следующих этапов: 1. Выполняется измерение величин Ах и е ТРП до воздействия плазмы ЭРД и заносятся в таблицу 1 протокола испытания. Обработка результатов измерений осуществляется в соответствии с [7]. В результате обработки определяются следующие основные параметры:

63

- среднее значение исследуемои характеристики:

1 "

х = -£%,

п г=1

где - измеренное значение исследуемой характеристики; п - число значении, принятых для расчетов.

- выборочное среднее квадратическое отклонение отдельного измерения (Бх ):

г

I

та:

=

- %)2

п -1

- значение средней квадратической ошибки результатов всех измерений (Б^ ):

К - % )2

4п У п (п -1)

- величина доверительного интервала с учетом выбранного значения коэффициента Стьюден-

Ах = г • ;

- значение исследуемого параметра с учетом найденного доверительного интервала:

х = х ±Ах.

Исключение грубых погрешностей измерений реализовано на основе критерия Граббса [7].

Значения оптических коэффициентов ТРП

Таблица 1

№ Наименование характеристики До испытания После испытания Значение коэф. деградации

1 Коэффициент солнечного отражения - А!

2 Степень черноты - е

2. ТРП устанавливается на силовой каркас приборного отсека (ПО).

На силовой каркас также устанавливается устройство для определения мощности излучения плазмы (УОМИ) ЭРД.

Силовой каркас (рис. 1), предназначен для размещения на нем образцов ЭРД и измерительных

датчиков.

Рис. 1. Силовой каркас приборного отсека

Приборный отсек (рис. 2) ВК-М представляет собой прочную металлическую конструкцию в форме цилиндра с герметичным внутренним объемом около 50 литров.

Для визуального контроля протекающих процессов приборный отсек оснащен боковым иллюминатором, выполненным из прозрачного материала. С тыльной стороны ПО производится установка силового каркаса и ПО закрывается фланцем, через который подсоединяются трубки подвода РТ и питающих проводов. К вакуумной камере ПО крепится с помощью фланца. Между фланцем и цилиндрическим корпусом установлен вакуумный затвор.

Схема расположения ТРП в приборном отсеке при проведении испытаний представлена на рис. 3. Перед началом испытаний фиксируется расстояние Ь и углы ориентации (а, в) плоскости ТРП относительно продольной оси ЭРД. Данные заносятся в протокол испытания.

'«к»

Рис. 2 Приборный отсек вакуумной камеры ВК-М ПО

-------------------- /

\

Шцучение пиазмы ЭРД

Рис. 3. Схема расположения ЭРД и ТРП в приборном отсеке при проведении испытаний

3. На силовом каркасе вывешивается ЭРД в горизонтальном положении, подсоединяются трубки подвода РТ и питающих проводов.

4. Силовой каркас устанавливается в приборный отсек вакуумной камеры ВУ-М.

5. Выполняется подключение и настройка УОМИ. Измерительная схема показана на рис. 4.

Излучение плазмы ЭРД

Гермоввод

11 эмеритальный блик

К

ТРП

по

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 4. Измерительная схема при проведении испытаний

6. Вакуумируется вакуумная камера ВК-М.

7. Включаются УОМИ.

8. Запускается ЭРД. Фиксируется в протоколе испытания момент начала воздействия плазмы ЭРД на ТРП и УОМИ (начало экспозиции).

9. В процессе испытания фиксируются и заносятся в протокол испытания значения следующих параметров (табл. 2).

Протокол испытания значений параметров

Таблица 2

Параметр Время от начала экспозиции Т1 Время от начала экспозиции тп

Расстояние Ь, м

Углы ориентации (а, в), град

Мощность излучения плазмы, Вт/м2

Массовый расход РТ, мг/с

Сила тяги ЭРД, мН

Напряжение между электродами ЭРД, кВ

Ионный ток, мА

Давление в ПО, Па

10. Выдерживается требуемая продолжительность экспозиции.

11. Выключается ЭРД. Фиксируется в протоколе испытания момент окончания экспозиции.

12. Оборудование приводится в исходное состояние.

13. После выполнения п. 12 ТРП извлекается из приборного отсека ВК-М и измеряются значения оптических коэффициентов и заносятся в таблицу 1 протокола испытания. Обработка результатов измерений осуществляется в соответствии с [7].

14. В соответствии с соотношениями (7) - (8) определяются и заносятся в таблицу 1 протокола испытания коэффициенты деградации.

Определенные в ходе испытаний коэффициенты деградации величин As и е после подстановки в (1) позволяют выполнить оценочный расчет теплового состояния элемента после эрозионного воздействия излучения плазмы ЭРД.

Таким образом, представленная методика позволяет определять коэффициенты деградации оптических коэффициентов ТРП при эрозионном воздействии излучения плазмы ЭРД в зависимости от параметров и режимов работы ЭРД.

Полученные значения коэффициентов деградации целесообразно использовать при проектировании СОТР КА, оснащенного электрическим ракетным двигателем. Следует отметить, что данная методика может быть применена и при исследовании деградации характеристик элементов конструкции КА без ТРП.

Список литературы

1. Гусев Ю.Г., Пильников А.В. Роль и место электроракетных двигателей в Российской космической программе // Электронный журнал «Труды МАИ». 2012. Вып. № 60. С. 1-20.

2. Горшков О.А., Муравлев В.А., Шагайда А.А. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов. Под ред. акад. РАН А.С. Коротеева. М.: Машиностроение, 2008. 280 с.

3. Фаворский О.Н., Фишгойт В.В., Янтовский Е.И. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. М.: Высшая школа, 1978. 384 с.

4. Морозов А.И. Плазменные ускорители и ионные инжекторы. М.: Наука, 1984. 269 с.

5. Атамасов В.Д., Ермолаев В.И. Система обеспечения теплового режима космического аппарата. МО РФ, 1995. 78 с.

6. Гончаров П.С., Кулешов Ю.В., Мартынов В.В., Цыбин О.Ю., Шуневич Н.А. Вакуумная установка для огневых испытаний электрических ракетных двигателей // Труды ВКА имени А.Ф. Можайского. 2019. Вып. 668. С. 216-223.

7. ГОСТ Р 8.736-2011. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения. Дата введения 2011-12-13. М.: Стандартинформ. 2013. 19 с.

Гончаров Павел Сергеевич, канд. техн. наук, начальник отдела, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского

METHODOLOGY OF EXPERIMENTAL MODELING OF THE EROSION EFFECT OF PLASMA RADIATION OF AN ELECTRIC ROCKET ENGINE ON THE THERMOREGULATING COATING

P.S. Goncharov

The article presents f methodology for experimental modelingangular motionerosion exposure to radiation by the fruits of the of the electric rocket engine (ERD) on the thermoregulating coating (TRP) on the vacuum installation system (VS-1). The mental base used and the procedure for testing are described. All relations for caiculating coefficients are given TRP.

Key words: study, plasma, electric rocket engine, thermoregulating coating, spacecraft, degradation coefficient.

Goncharov Pavel Sergeevich, candidate of technical science, head of department, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.