автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.10, диссертация на тему:Разработка и исследование микроволнового электротермического двигателя

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской революции и ордена Трудового Красного Знамени государственный технический университет тени Н. Э. Баумана

Г 6—№--

На правах рукописи

Ермаков Алексей Иванович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОВОЛНОВОГО ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ.

Специальность 05.07.10 - Злектроракетнке двигатели и энергоустановки летательных аппаратов.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени калдидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана

Научный руководитель: доктор техническая наук, профессор Гришин С.Д.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Киселев М.И.

кандидат технических наук, Хохлов Ю. А.

Ведущая организация: ЦКШМАШ г.Калининград МО.

Защита состоится ци^и^ 1695 г. на заседании

специаливлрованного совета 0.053.15.10 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Бауыана по адресу: 107005 Москва, Лефортовская набережная, д.1, корпус "Энергомашиностроение", в ^ часов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ Автореферат разослан и<<СыЯ 1995 г.

Ваши отзывы в 2-х экз., заверенные печатью, просьба высылать по адресу: Москва, 107005, 2-я Бауманская ул., д.5, МГТУ. ученому секретарю Совета 0.

Ученый секретарь специализированного совета / -

д.т.н. доцент Кващенко Н.А,

; -' I 1.1 ' I . _____

Подписано к печати0£,9£г.Тир. 100 экз. Объем 10 п.л. Заказ219» Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана

_Актуальность работы. . Эффективность космических систем существенно зависит от параметров двигательно - энергетических установок. Двигательные установки (ДУ) в космических аппаратах используются в качестве маршевых двигателей для межорбитальных перелетов, и исполнительных органов систем ориентации и стабилизации космических аппаратов и коррекции их орбит. Электроракетные двигатели (.ЭРД) благодаря высокому значению удельного импульса позволяют существенно сократить запас топлива КА,'значительно повысить массу транспортируемых полезных грузов и увеличить время функционирования космических систем.

Для околоземных полетов с низких орбит на геостационарную согласно данным Ш оптимальный удельный импульс ДУ составляет 1,2 - 2,5 104 м/с, при времени перелета 3- 5 месяцев. Для таких полетов оптимальными могут рассматриваться электродуговые электротермические двигатели (ЭТД). Злектродуговые двигатели (.ЭДД) могут развивать удельный импульс 7000 - 15000 м/с. Однако ресурс ЭДД невелик и составляет реально до 1000 часов. Резисторные электронагревные двигатели ЭНД, хорошо отработаны, просты и надежны при низкой цене тяги имеют невысокий уделъ- . ный импульс до 6000 - 6500 м/с на водороде. Использование ре-оисторного ЭТД в качестве маршевого двигателя бесперспективно. Электротермический микроволновый двигатель (ЭТМД) при достаточно высоком удельном импульсе, около 15000 м/с, в принципе, из-за отсутствия электродов, может иметь высокий ресурс работы и в наибольшей степени отвечает требованиям к ЭРД для околоземных операций. Минимальная мощность, при которой работает ЭДД, равна десяткам киловатт, а ЭТМД работает при долях киловатта и примерно тех жэ удельных параметрах. Поэтому исследование и разработка ЭТМД является актуальной задачей.

_Цель исследования. . Экспериментальное определение параметров ОВЧ-разряда в камере резонаторе. Определение эффективности поглощения ОВЧ мощности системой плазма-резонатор. Определение параметров ЭТМД: возможного удельного импульса, к.п.д., стойкости конструкционных материалов в камере ЭТМД. Оптимизация параметров ЭТМД и элементов конструкции. Экспериментальная апробация конструкционных решений.

_Методы исследования. . Основными методами исследования

в настоящей работе являются экспериментальные методы, но параллельно эксперименту и на основе экспериментальных данных создана численная модель, описывающая систем/ резонатор-плазма. С помощью численной модели рассчитаны параметры ЭТВД, проведе анализ взаимовлияния параметров двигателя, произведена оптимизация конструкции ЭТМД, выявлены: механиам формирования разряда в камере ЭТМД и влияние рабочего давления в камере на поглощение СВЧ мощности.

„Научная новизна. . Впервые в качестве камеры ЭТМД применен резонатор тороидального типа (реяонатор со сосредоточенными постоянными). Определены возможные показатели ЭТМД и характерные особенности его конструкции. Проведен анализ влияния параметров плазмы на характер поглощения СВЧ-мощности системой резонатор-плазма. Проведено экспериментальное и численное исследование рабочего процесса ЭТВД.

„Практическая ценность. . Разработана численная модель позволяющая провести_расчет параметров ЭТМД с камерой на осно-_ ве тороидального резонатора. Сформулированы принципы конструирования ЭТВД. Выявлена возможность использования резонатора со сосредоточенными постоянными в качестве генератора плазмы СВЧ-разряда при атмосферном и более высоком давлениях. Предложена новая конструкция летного ЭТВД. При разработке данной конструкции учтены: опыт полученный во время экспериментальных исследований и результаты численного анализа различных моделей ЭТВД.

„Апробация работы. . Изложенный в диссертации материал докладывался на научно-техническом семинаре МГТУ (1990г.).

„Публикации. . Основные сведения, содержащиеся в диссертации опубликова! . в 5 печатных работах.

„Структура и объем работы. . Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы. Работа содержит 129 страниц, включая 88 страниц текста, 57 рисунков, сп"оок литературы на 3 страницах включая 32 работы.

„Содержание работы . Во введении проанализирована эффективность ДУ на околоземных орбитах, рассмс.рена возможность использования СВЧ генераторов в качестве источников электропитания ДУ и на основе этого выявлена актуальность исследований

ЭТМД, показана научная новизна работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

_В первой главе . проанализировано состояние исследований и разработок электротермических микроволновых двигателей на современном этапе, проанализированы физические принципы существования разряда в такого рода устройствах.

Рабочий процесс ЭТМД состоит в нагреве рабочего газа в СВЧ разряде и последующем его тепловом ускорении в сопловом аппарате. Механизм передачи энергии электромагнитного поля (ЭМП) реализуется следующим образом: в электрической составляющей ЗМП электроны приобретают энергию и затем в процессе соударений передают ее тяжелым частицам. Ионы с ЭМП при высоких частотах не взаимодействуют и их температура определяется балансом между подводом энергии от электронной компоненты в процессе столкновений и еыносом ее из разряда струей газа и теп-лопотерями в генки.

Процесс ионизации в СВЧ-разряде является объемным. Электроны образуются в самом разряде, уход электронов из разряда на индукторы происходит только из узких прииндукторных слоев, составляющих доли миллиметра. В разрядах постоянного тока поле выносит электроны на анод и катод должен постоянно поставлять электроны в разряд, возмещая их уход.

При атмосферном давлении катод работает в тяжелом режиме, имеет малый ресурс работы и сложную конструкцию. В СВЧ разряде нет катода. Индукторк могут поставлять электроны в разряд только за счет эмиссии вторичных электронов и могут быть изоляторами. Стойкость их определяется только тепловыми потоками из разряда и нагревом в СВЧ поле.

Особенностью СВЧ разрядов является то, что для большинства ив них характерный размер плазменного образования меньше длины волны, поддерживающей этот разряд. Частота внешнего поля и может быть как меньше, так и больше «кр критической частоты плазмы. Это частота, при которой показатель преломления плазмы п становится равным нулю

п - (1 - «кР2/ы2)1/2 - 0. (1)

В рассматриваемом случае ни приближение геометрической оптики, ни приближение плоской границы раздела двух сред неприменимы для описания взаимодействия СВЧ-разрядов атмосферного давления с электромагнитной волной (ЭМВ), поэтому применена кана ловая модель для ВЧ и СВЧ разрядов рассмотренная в работах [13,[2],[3] . В расчетных схемах используется аналогия между характером поглощения ЭМВ металлическим цилиндром и СВЧ-разря-дом. Проникновение ЭМП в плазму определяется величиной скин-слоя С1],[2]. который составляет

« - (2/(»о б* «))1/£- (2)

и в котором поглощается энергия ЭМП. здесь до- магнитная проницаемость, б„- высокочастотная проводимость плазмы. Диаметр столба разряда и параметры плазмы зависят от подведенной мощности, геометрии резонатора, рода газа, давления в камере-резонаторе, от типа индукторов и от материалов из которых изготовлены индукторы и резонатор.

Конструкции камеры для двигателя такого типаГ предложенные до середины восьмидесятых годов, представляли собой волноводы различного типа (цилиндрические, прямоугольные), в которых разряд поджигался или непосредственно в волноводе или в радиопрозрачных трубках, помещенных в волноводы. Разряды в волноводах перегревают стенки конструкции и движутся навстречу распространению электромагнитной волны, что в конечном итоге приводит к разрушению конструкции. Такие средства борьбы, как радиопрозрачные диэлектрические окна, кварцевые трубки, применение ЭМВ с преимущественным распространением определенной моды волны не дали практических результатов, т.к. радиопроарачный материал при нагревании начинает поглощать СВЧ мощность, перегревается и расплавляется, а плазменное образование в волноводе трансформирует одни моды ЭМВ в другие и полностью "еняет структуру поля в волноводе. Обеспечить тепловой режим в таких конструкциях не удалось, потому практической ценности они не представляют.

В конце восьмидесятых годов фирма Аего] е^есЩ^етэ (США) предложила прогрессивную конструкцию микроволнового ЭТД [4]. В

качестве камеры использован цилиндрический резонатор. Внутри резонатора, по его оси, проходит кварцевая труба. -В кварцевой трубе размещены два индуктора, один из них является соплом, другой инжектором. Поджиг разряда осуществляется при низком давлении, когда индукторы разнесены на полную высоту резонатора, затем давление повышается до атмосферного и более высокого и индуктор-инжектор придвигается к индуктору-соплу на расстояние нескольких миллиметров. В такой конструкции разряд отжат от стенок кварцевой трубки, конструкция не перегревается: Эффективность передачи энергии в разряд - 0,9В - 0,99. Удель- ■ нчй импульс на азоте составил 3200м/с, при мощности введенной в разряд 1 кВт. Рабочая частота 2.45 ГГц, давление в камере 0,196 МПа, термический к.п.д. - 0,48.

Предложены так же схемы ЭТД субмиллиметрового диапазона [51 с квазиоптической фокусировкой и фокусировкой с помошью фазированной .нтенны. Достоинством таких схем является возможность идеальной фокусировки полей и создание напряженностей в 100 - 1000 раз больше, чем в резонаторах, кроме того разряд можно организовать вдали от стенок конструкции. Рабочие частоты при таких способах фокусировки > 30 ГГц.

Однако эффективность генерации СВЧ-мощности на частотах нескольких гигигерц - 0,95, а на частотах > 30 ГГц менее 0,4. ЭЭДгективность поглощения СВЧ-мощности разрядом на частоте 3 ГГц в резонаторе 0,9, а на частоте 37 ГГц при квазиоптической фокусировке - 0,6. Исходя из эффективности генерации и поглощения мощности резонаторная система с рабочей частотой несколько гигогерц Ецбрана в наших работах в качестве объекта разработки и исследования.

_Во второй главе . описан экспериментальный стенд созданный для проведения исследований, экспериментальная модель ЗТВД на основе тороидального резонатора, оборудование для определения энергобаланса ЭТМД, компенсационный тягомер, представлено оборудование для проведения зондовых измерений в СВЧ разряде, рассмотрена методика, разработанная для проведения зондовых измерений, приведены результаты зондовых измерений, приведены результаты экспериментальных исследований границ существования разряда в тороидальном резонаторе, эксперименталь-

но определена эффективность поглощения СВЧ-мощности в зависимости от давления в камере и от межиндукторного расстояния.

Экспериментальный стенд включает в себя следующие системы и элементы: генератор СВЧ (с рабочей частотой 2,97 ГГц и максимальной мощностью, отдаваемой в нагрузку, 500 Вт), волновод-ную систему подвода и измерения СВЧ мощности; систему настройки; вакуумную систему; систему подачи рабочего гаеа, измерения давления и расхода; тягомер; калориметры; биологическую защиту.

За основу стендовой модели ЭТМД- принята ревонаторная конструкция фирмы Аего^1ЛесЬ5уз1етя [4]. Поджиг разряда осуществлялся при большом расстоянии между индукторами и при низком давлении ("длинный" разряд), затем давление повышалось и синхронно с повышением давления сдвигались индукторы, создавался "короткий" разряд. Конструктивно для создания "короткого" разряда необходима электромеханическая система перемещения индуктора, работающая синхронно с редукционным клапаном. Наличие движущихся частей в камере-рееонаторе ЭТМД усложняет ее конструкцию, снижает надежность и в ряде случаев недопустимо для использования на космических аппаратах.

С целью создания резонаторной конструкции без движущихся частей, предложена и защищена авторским свидетельством разрядная камера для ЭТМД на основе тороидального резонатора [61. Стендовая модель рис. 1 изготовлена из меди, для обеспечения высокой добротности резонатора. Кварцевая труба, расположенная внутри резонатора, выполняет роль камеры, в которой поддерживается рабочее давление, и одновременно является дистанционато-ром-изолятором, обеспечивающим изоляцию между корпусом и индукторами. Дистанционатор-изолятор не позволяет накоротко замыкать резонатор лри наличии разряда между индукторами, а в результате резонатор сохраняет добротность. Выполнение резонатора тороидальным ведет к тому, что в двигателе инжектор не перемещается в процессе поджига разряда. Выполнение тор: в индукторов, являющихся сопловой частью и инжектором, в форме усеченных конусов обеспечивает создание высокого значения напряженности поля в разрядном промежутке и снимает разряд от стенок кварцевой трубы.

Для определения особенностей СВЧ-разряда в тороидальном

ре8онаторе проведены зондовые измерения. Измерения проведены двойным зондом. Регистрация результатов измерений проведена фотографированием с экрана осциллографа. Время измерений в СВЧ разряде ограничено временем нагревания керамических изоляторов и составляет несколько секунд. Измерительная линия изолируется и экранируется, зонды не должны подвергаться непосредственному воздействию ЭМП. При давлении 1 Па и при мощности, вложенной в разряд, 400 Вт электронная температура составляет 2-4' еВ. Электронная температура не зависит от межиндукторного расстояния. Напряженность поля в разрядном промежутке составляет не менее 65000 В/м.

Определены границы существования разряда в тороидальном резонаторе. Экспериментально определено, что мощность, поддерживающая разряд в резонаторе при атмосферном давлении, существенно ниже мощности, необходимой для поддержания разряда в волноводе. Для .эддержания разряда в волноводе, в среде аргона, необходимо 1,6 кВт, в резонаторе достаточно 200 Вт. Вез прокачки газа в резонаторе при межиндукторном расстоянии 2 мм и вложенной в разряд мощности 500 Вт удалось повысить давление существования разряда до 0,48 МПа. Эффективность поглощения подведенной к разряду мощности составила 0,8 - 0,9 для различных газов, при настройке резонатора при давлении поджига разряда. При настройке на максимальную эффективность поглощения в рабочей точке, поглощалось до 99% подведенной мощности, при атмосферном и более высоком давгчши.

_В третьей главе . рассмотрена физичес:сая модель разряда и численная модель. Столб разряда представлен цилиндром. Температуры электронов Те и тяжелой компоненты разряда Т постоянны по времени. Макроскопические параметры плазмы, диэлектрическая проницаемость - проводимость - 6«, эффективная частота столкновений - зависят только от Те и Т, и являются постоянными по времени. Плазма - проводник с комплексным сопротивлением. Для частотных разрядов, на основании выводов сделанных в работе [3], применена формула Саха. Это обосновано тем, что система состоит из двух групп разнородных частиц, в каждой из которых принято допущение о максвелловском распределении скоростей, поскольку эффективность передачи энергии между от-

дельными частицами пропорциональна отношению их масс и существенный энергетический обмен при отдельном столкновении происходит лишь между частицами близкими по массе. Благодаря этому внутри ансамбля электронов и ансамбля тяжелых частиц (атомов • ионов) устанавливается равновесное распределение по скоростям. Температуры электронной и ионной компонент существенно отличаются. Свойства двухтемпературной плазмы рассчитываются в виде функции двух температур:

241 2якт0Те I

пв2 = Па (Те.Та, 1)--(-) ехр - (—). (3)

Ч кВТе

Поскольку в частотном поле электрон меняет энергию от значения равного Ет - энергия теплового электрона, до Е^пах - энергия ускоренного электрона, то транспортное сечение определено из

' Етах Етах

6тр - У бТр с!Е / У <ЗЕ- (4)

Ет Ет

Сопротивление столба разряда складывается И8 активного и реактивного. Активное сопротивление определяется как сопротивление скин-слоя столба разряда, а реактивное определяется немагнитной индуктивностью разряда (индуктивностью обусловленной отставанием электрона от фазы ЭМВ).

Для описания процессов и оптимизации ЭТВД построена численная модель, которая включает в себя систему уравнений, описывающих газовый 1азряд, электротехническую эквивалентную схему резонатора рис. 2, уравнения энергобаланса для электронной и атомно-ионной компонент разряда, уравнение расхода газа и уравнение энергообмена между электронной и ионной компонентами разряда С7];

Те - Т 2е2Е2

ЗбквТеШУт

(5)

где 8 - коэффициент обмена, Е - действующее значение напряженности поля.

При численном моделировании разряда постоянного тока используется принцип минимума Штеенбека. Для частотных устройств принцип не дает положительных результатов, поскольку частотные разряды имеют иное распределение тока и мощности в плазменном формировании. Для решения системы уравнений, описывающих СВЧ-раэряд в тороидальном резонаторе, предложен новый подход, названный "принципом максимума энерговыделения". Он предложен на основании того, что по теории электрических цепей переменного тока высокая эффективность поглощения мощности возможна только при определенном значении нагрузки и активное сопротивление цепи должно быть равно реактивному и направлено противоположно ему. Данные эксперимента показали, что высокую эффективность поглощения можно реализовать практически. На этом основании был сделан вывод о существовании механизма самонаст" ройки плазмы разряда, который обеспечивает необходимое значение сопротивления нагрузки. Схема, иллюстрирующая процесс настройки сопротивления разряда, показана на рис.3. Сопротивление, при котором поглощается максимум, подведенной к резонатору энергии обозначено как Копт- В случае, когда сопротивление разряда I? > Кот, резонатор недогружен, напряженность поля высока; ионизация преобладает над рекомбинацией, в результате растет концентрация электронов и снижается сопротивление нагрузки. В случае когда I? < Я0Пт резонатор перегружен,-снижается напряженность поля в равряде. Фазовая скорость электронов уменьшается, следовательно растет угол сдвига фаз между током и напряжением в нагрузке. Мощность, выделяющаяся на нагрузке и идущая на поддержание разряда, снижается, следовательно уменьшается число электронов в разряде и растет сопротивление нагрузки.

При численном моделировании решение сводится к поиску условий, обеспечивающих полное поглощение подведенной к системе мощности. С позиций рассмотрения эквивалентной схемы при этом необходимо найти оптимальное значение сопротивления столба разряда. Однако при расчетах- определялось не сопротивление разряда непосредственно, а определяются его параметры: температуры электронов и ионов, геометрические параметры и теплопо-

тери. Оптимальное значение этих параметров обеспечивалось поиском экстремума, поэтому принцип заложенный в решение системы уравнений назван "принципом максимума энерговыделения". Тепло-потери в индукторы, используемые в расчетах, определены экспериментально. При численном моделировании неоднозначности результатов не наблюдалось. Из-за нелинейности системы уравнений применимы только нескоростные численные методы, т.е. методы недопускающие аппроксимации.

_В четвертой главе . приведены результаты экспериментальных и численных исследований ЭТМД.

Проведена серия экспериментов, в которых определены параметры ЭТМД для следующих рабочих газов: аргон, азот, водород, воздух и ксенон. Цели экспериментальных исследований: определение тяги двигателя, удельного импульса, температуры в камере при различных энг-чниях давления и введенной в разряд мощности. В экспериментах использовалось простое и хорошо исследованное коническое сопло с углом конусности 2В - 25°, с коэффициентом потерь 4%. Диаметр критического сечения от 0,4 до 0,7 мм. Коэффициент расширения 460 - 1400. Диапазон давлений в котором проведены исследования 5-104 - 5-Ю5 Па. •

Сопло - изготавливалось из хорошо проводящих материалов: медь, бронза. При "использовании легких рабочих газов, сопло необходимо покрывать керамической теплозащитой, или изготавливать из графита. СВЧ-мощность особенно эффективно перегревает материалы с низкой электропроводностью: вольфрам, молибден, что ведет к их расплавлению. В воздушной среде мадное сопло окисляется, уменьшаются размеры критического сеяния сопла.

Максимальные параметры получены при работе с водородом. При мощности введенной в разряд 0,5 КВт, рабочем давлении в камере 1,4'105 Па, тяге 0,025 Н, удельный импульс составил 14300 м/с.Цена тяги составила 19,7 КВт/Н. Индуктор и сопло защищались керамическим покрытием.

Экспериментально калориметрическим методом определен к.п.д. ЭТМД. Для увеличения точности калориметрических измерений, вместо профилированного сопла, применена пластина с отверстием (сопло без ускор ■ 1,ей части). Для азота при давлении 2-105 Па, максимальный термический к.п.д. при вложенной в раз-

ряд модности 400 Вт составил 43%, для аргона при давлении 5-105 и равных прочих условиях термический к.п.д. составил 41%.

Сопоставление результатов экспериментов и расчетных данных для одинаковых моделей и при одинаковых условиях показало соответствие результатов. Расхождение расчетных и экспериментальных данных имеет наибольшее значение на водороде и составляет 227., на аргоне и азоте - 5 - 152.

Оценочные данные отрыва электронной и ионной температуры для аргона на атмосферном давлении дают 4000°К, отношение электронной температуры к ионной - 2...3. Результаты соответствуют данным, приведенным в работе [2]. Соответствие результатов расчета экспериментальным данным и результатам публикаций говорит о правомерности использования численной модели для анализа и оптимизации конструкции ЭТМД.

В процессе численных исследований удалось объяснить механизм снижения эффективности поглощения СВЧ-мощности разрядом при атмосферном и более высоком давлениях. При высоком давлении в разряде возрастает концентрация 'электронов, снижается напряженность поля, увеличивается число столкновений электронов с тяжелыми частицами, следовательно, электроны отстают от фазы электрической составляющей ЭМП. Увеличение сдвига фаз между активной составляющей тока и напряжением на нагрузке приводит к снижению поглощенной мощности.

На основе анализа ревультатов моделирования сделан вывод о возможности настройки резонатора практически любым элементом конструкции, при определенной мощности введенной в систему, при одновременной настройке резонатора на рабочую частоту. Оптимизацию температуры в разряде необходимо производить изменением межиндукторного расстояния.

_В пятой главе . представлены рекомендации по конструированию ЭТМЛ и предложена конструкция летного ЭТМД.

Сформулированы следующие требования к конструкции; должны применяться материалы с высокой электропроводностью, нецелесообразно применять скользящие контакты и резьбовые соединения, конструкция не должна излучать СВЧ-мощность, для устранения паразитных разрядов разрядный промежуток должен быть наиболее энергонапряженным, совместно с ЭТМЛ должен работать СВЧ гене-

ратор, допускающий кратковременную перегрувку по коэффициенту стоячей волны 7-10, конструкция должна обеспечить возможность настройки на максимум поглощения при конкретном рабочем давлении в камере, запуск должен осуществляться при низком давлении с последующим выходом на рабочий режим.

Основные конструктивные решения летного варианта ЭТМД -резонатор тороидального типа, состоящий из двух полусфер (обеспечивает фокусировку отраженного излучения), полусферц стянуты болтовыми соединениями и имеют прочный злектроконтакт по плоскости разъема, рабочий газ перед поступлением в разряд охлаждает полусферы и сопловую вставку, выполненную из тугоплавкого материала, индуктор-инжектор, подвешенный на керамическом изоляторе, позволяет регулировать разрядный промежуток, ламели, введенные в резонатор, позволяют перестраивать частоту резонатора, не н^ушая линий тока на поверхности резонатора. Схема летного варианта ЭТМД показана на рис. 4.

ВЫВОДЫ

1. Проведено экспериментальное и расчетное исследование электротермического СВЧ двигателя.

2. Разработаны математическая модель рабочего процесса в электротермическом СВЧ двигателе, методы решения системы уравнений, описывающих разряд в резонаторе тороидального типа, диагностическая программа для численного моделирования процессов, принципы конструирования ЭТМД.

3. Разработана конструкция летного ЭТМД на основе резонатора тороидального типа. Экспериментально полученк возможные значения параметров двигателя.

4. Разраситаны методика измерения эффективности поглощения СВЧ мощности плазмой и проведены зондо^ые измерения параметров плазмы в резонаторе тороидального типа.

5. Выявлены области существования разряда, эффективность поглощения мощности разрядом, выявлено влияние качества резонатора на параметры плазмы.

6. Проведен анализ механизмов поглощения СВЧ мощности разрядом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. - М.: Наука, 1980. - 416 с. с ил.

2. СВЧ-генераторы плазмы: Физика, техника, применение /В.U. Батенин, И.И. Климовский, Г.И. Лысов и др.

- М.: Энергоиздат, 1988. - 224 с.

3. Дресвин C.B. Основы теории и расчета высочастотних плазмотронов. - Л.: Энергоатомигдат. Ленингр. отд-ние, 1991. -312 с.

4. ГерланВ. А., Яссоески Д.М. Разработка микроволнового ЭРД // Астронавтика и ракетодинамика. - 1989. - N 1. - С.14-21.

5. Фреш Л.Л., Фриц Р., Асмуссен Дж. Электрическая тяговая система для космических аппаратов с использованием энергии субмиллиметроЕых электромагнитных волн // Аэрокосмическая техника. - 1989. - N 3. - С 77-86.

6. A.C. 1725601 СССР, МКИ5 F 03 H 1/00 Электротермический микроволновый двигатель / С.Д.Гришин, А.'И.Ермаков, М.К. Марах-танов. - 1992. - 6с.

7. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1987.- 592 с.

Отп. 5 экз.: 1 -. 4 экз. - ВАК

5 экз. _ каф- Э8 Исп. Ермаков А.И... тел 513-79-30

Рис. 1. Схема ЭТМД с резонатором тороидального типа: 1 - разряд, 2 -индуктор-сопло 3 - изолятор, Л - кварцевая ру-ба, 5 - корпус, б - волновод, 7 - держатели, 8 - индуктор.

Lres

Cres

Rres

Cg

Ci

Cs

Cpl

Рис. 2. Эквивалентная схема резонатора с нагрузкой: Lres - индуктивность тороидальной части резонатора, Cres - емкость резонатора, Rres - активное сопротивление корпуса, Cg - емкость между корпусом и индуктором-инжектором, Cs - емкость между корпусом и соплом, Ci - емкость между индукторами, Cpl, Lpl, Rol - емкость, индуктивность и активное сопротивление разряда.

Яорг

Рис. 3. Схема иллюстрирующая процесс настройки со. ротивления разряда.

Рис. 4. Конструкция летного прототипа ЗТМД.

1-сопловая полусфера, 2-инжекторная полусфера, 3-коаксиальный ввод СВЧ, 4-ламе ли подстройки, 5-сопловая вставка, 6--гпйка, 7-индуктор-инжектор, 8-радиопро-зрачный изолятор, 9-установочный винт, 10', 11-трубопроводы ввода газа в инжектор и сопловую часть, 12-теплоизоляция.