автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка стационарных плазменных двигателей с контролируемым взаимодействием плазмы со стенками разрядной камеры

Для служебного пользования Экз. № Инв. Х»208-572-2

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (государственный технический университет)» МАИ

УДК: 621.455.4, 537.5

904613564

ХАРТОВ Сергей Анатольевич

РАЗРАБОТКА СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С КОНТРОЛИРУЕМЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ ПЛАЗМЫ СО СТЕНКАМИ

РАЗРЯДНОЙ КАМЕРЫ

Специальность 05.07.05 «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук

2 5 НОЯ 2010

Москва, 2010г.

004613564

Работа выполнена на кафедре «Электроракетные двигатели, энергофизические и энергетические установки» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (государственный технический университет)» в период с 1983 по 2009 гг.

Официальные опгсигапы:

доктор технических наук, профессор Марахтаноп Михаил Константинович

доктор физико-математических наук, профессор Семашко Николай Николаевич

доктор технических наук, профессор Лесневский Леонид Николаевич

Ведущая организация:

Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие «Исследовательский центр имени М.В. Келдыша»

Защита состоится «22» И-С^^рС* 2010 г. в часов иа заседании диссер-

тационного совета Д212.125.08 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (государственный технический университет)» МАИ по адресу: 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4, ауд. 300 главного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ. Автореферат разослан « 12» рцХ^рЯ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ю.В. Зуев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Преимущества эдектроракетных двигателей (ОРД) перед другими тяговыми системами становится все более весомым с увеличением срока активного существования космических аппаратов (КА). Накопленный опыт эксплуатации таких двигателей на большом количестве КА и перспектива существенной экономии массы аппарата за счет снижения запаса рабочего тела при выполнении ряда транспортных задач обуславливают растущий интерес фирм-разработчиков КА к использованию ЭРД. Кроме того, существуют космические перелеты, которые невозможно выполнить с помощью традиционных двигателей и реализация которых доступна только с ЭРД.

В настоящее время на большинстве перспективных КА различного назначения уже используются или планируются к установке электроракетные двигатели. Расширение применения ЭРД в космической технике требуег повышения уровня их характеристик. Актуальной становится проблема создания ЭРД с наработкой более 10... 15 тысяч часов и повышенным удельным импульсом до 30...35км/с с минимальной ценой тяги. В нашей стране эта задача, в частности, решается с использованием стационарных плазменных двигателей (СПД). При этом от разработчиков СПД требуется решения как традиционных вопросов для данного двигателя - повышения уровня характеристик и увеличения времени безотказной работы (обычно для упрощения называемого «ресурсом»), так и задач интеграции его с конструкцией и системами КА. В частности, становятся актуальными задачи повышения фокусировки струи СПД и обеспечения стабильности интегральных параметров в течение назначенного ресурса работы КА. Как показывает практика отработки СПД, решение этих проблем в силу особенностей рабочего процесса в двигателе взаимосвязано между собой.

В работе много внимания уделено длительной работе СПД и безотказности его функционирования. В связи с этим необходимо уточнить, что понимается под термином «ресурс» (предельное состояние) данного двигателя. Для СПД критерием отказа, помимо прямого разрушения в результате случайного воздействия извне, является невозможность обеспечения заданного уровня выходных характеристик, например, тяги или удельного импульса вследствие деградации свойств отдельных элементов двигателя (особенно при больших временах работы). Традиционно СПД подразделяют на «анодный блок» [включающий разрядную камеру (РК) и анод-газораспределигель], магнитную систему и катод-компенсатор. Отказы, связанные с магнитной системой и катодом, носят в основном случайный характер. При длительной работе двигателя наибольшее влияние на деградацию уровня выходных характеристик оказывает разрушение под действием ионного распыления стенок разрядной камеры. В работе под понятием «время безотказной работы двигателя» понимается период его функционирования с уровнем тяги в заданном диапазоне (например, ±5%). Практика показывает, что предельное состояние СПД - невозмож-

носгь обеспечивать заданный уровень тяги, Наступает при полном разрушении выходных кромок разрядной камеры и эрозии полюсов магнитной системы до —1/3 их толхципы. Исходя из этого, основное внимание в работе уделялось именно времени полного разрушения кромок разрядной камеры, как критерию отказа (выход двигателя в предельное состояние) - «ресурсу».

Повышение уровня характеристик двигателя, как было продемонстрировано в МАЙ на лабораторных моделях СПД, возможно при изменении условий взаимодействия плазмы со стенками разрядной камеры. При этом было показано, что реализуется как достижение лучшей фокусировки ионного потока, так и повышение эффективности двигателя. Однако создание прототипов таких двигательных модулей осложнялось нестабильностью во времени их работы с повышенными характеристиками (ухудшение работы происходило на первых часах испытаний, существенно раньше, чем у традиционных моделей). Для СПД характерно, что в ходе длительных испытаний изменение тяги (удельного импульса) имеет тенденцию плавного снижения. Первоначально это связывалось с условиями проведения наземных испытаний - с осаждением загрязняющих плешк на поверхности керамических етенок разрядной камеры. Эти покрытия образуются в основном из-за паров рабочей жидкости вакуумных насосов н материала, распылетюго со стенок вакуумной камеры. Данные загрязнения изменяли физические свойства поверхности и приводили к ¡развитию неустойчиво стей в разряде, снижая тем самым уровень интегральных характеристик двигателя. Образующиеся на поверхности стенок разрядной камеры пленки устраняли периодическими (раз в несколько сотен часов) чистками, полагая, что при этом не нарушается адскватпосгь условий испытаний натурной эксплуатации. Это утверждение базировалось на том, что при реальной эксплуатации в космосе подобных загрязняющих покрытий образовываться не должно, и эта проблема может бьпъ решена при улучшении условий испытаний. Однако перевод испытаний в камеры большого диаметра с криогенными системами откачки не снял проблемы стабильности характеристик СДД. Изменилась дипамика, но характер сохранился. Кроме того, проявилась тенденция резкого ухудшение характеристик за первые несколько сотен часов, а затем их восстановление до почти первоначального уровня. Поскольку это повторялось при испытаниях всех моделей из «параметрического ряда» СПД, было сделано предположение, что данное явление связано с условия!

ми «приработки» керамического изолятора разрядной камеры и является характерной чертой рабочего процесса в двигателе. Однако в последнее время при переходе на повышенные удельные импульсы изменепие характеристик СПД уже не удается объяснить в рамках принятых предположений,

В ходе лепюй эксплуатации СПД также отмечается снижение уровня интегральных характеристик и появление нестабилыюстей в разряде, приводящих к периодическому отключению двигателя в результате возникновения перегрузки в цепях электропитания. Данные перегрузки носят апериодический характер и не приводят к отказу двигателя, ко вносят проблемы в функциони-

4

роваиие систем электропитания. П целом опыт эксплуатации СПД показывает, что хотя явной корреляции со стендовыми испытаниями не прослеживается, но физика явлений имеет общую природу.

Исходя из вышеперечисленного, в рачках решения проблемы повышения характеристик СПД необходимо было сосредоточиться на разработке моделей двигателей с пониженной чувствительность ю к различным загрязняющим покрытиям.

Частичное объяснение тенденций снижения характеристик СПД связано с изменением геометрии стенок ускорительного канала разрядной камеры, вызываемое иош1ым распылением. Одним из очевидных способов решения проблемы является использование диэлектрических материалов с малым коэффициентом распыления. Однако многократные попытки применить в СПД существующие типы керамик не привели к желаемому результату. При использовании большинства известных керамических материалов наблюдалось отбо снижение характеристик двигателя, либо повышенный износ стенок разрядной камеры. Наиболее оптимальные характеристики были получены при использовании керамик на основе нитрида бора. Наивысшей стойкостью характеризуется чистый нитрид бора, однако данный материал обладает низкой конструкционной прочностью, поэтому в СПД нашли применение керамические композиции из нитрида бора и оксида кремтшя (тина ВГП). В настоящее время, продемонстрированное в ходе длительных наземных испытаний, огневое время модели СПД-100 (мощностью 1,35кВт) с разрядной камерой из такой керамики достигло 10 ООО часов (при сохранении уровня тяги в заданном диапазоне ±5%). Вместе с тем прогноз увеличения «ресурса» СПД весьма пессимистичен, особенно при переходе на повышенные удельные импульсы. В связи с этим дальнейшее повышение времени разрушения РК (при сохранении конструкции двигателя) возможно только путем поиска новых материалов, имеющих большую стойкость к ионному распылению в специфических условиях рабочего процесса в СПД. Многие годы процесс поиска шел путем перебора и экспериментальной проверки различных керамик. Накопленный к моменту начала дайной работы опыт и развитие матсриаловедческих знаний позволили автору перейти к постановке работ по целенаправленному синтезу новых материалов, решающих как задачу увеличения ресурса разрядной камеры двигателя, так и проблему улучшения характеристик СПД. Одним из первоочередных вопросов, который необходимо решить при создании новых диэлектрических материалов для СПД, является определение их стойкости при ионной бомбардировке. Существующие методики определения коэффициентов распыления дают существенно заниженные значения. С точки зрения чистоты эксперимента, испытания керамик непосредственно в СПД является наиболее оптимальным. Однако такое решение требует больших затрат времени и средств. В связи с этим целесообразно детально изучить особенности процесса распыления в двигателе, проанализировать критические факторы н разработать методику для проведения испытаний образцов в условиях, наиболее приближенных к реальным условиям их

5

разрушения в СПД. Другим фактором, который тесно связан с ионным распылением, являйся осаждение распыленного материма на стенках РК и элементах космического аппарата, окружающих срез двигателя. Осажденный материал может существенно отличаться от исходного состава керамики. Вследствие этого возможно непредсказуемое изменение физических свойств ряда участков поверхностей. Существенно осложняет понимание процессов ионного распыления в РК СПД наличие явления «аномальной» эрозии стенок. Имеется ряд гипотез, связывающих это явление с параметрами электронной компоненты плазмы в РК. Однако они не позволяют пропюзиро вать время возникновения и развития неодаородпостей на поверхности стенок разрядной камеры двигателя.

Представляется актуальным и вопрос поиска альтернативных методов, позволяющих существенно сократить время и удешевить процедуру испытаний для определения времени разрушения РК СПД.

Целями работы являлись:

- создание моделей двигателей с контролируемым взаимодействием плазмы со стенками разрядной камеры;

- решение проблемы повышения стабильности уровня интегральных характеристик новых моделей СПД, в частности, при стендовых испытаниях;

- выбор и разработка новых материалов для элементов разрядной камеры, более стойких к ионному распылению.

- исследование функционирования новых схем двигателей о контролируемым взаимодействием плазмы со стенками разрядной камеры;

- разработка оборудования для испытаний и исследований рабочего процесса в двигателе, уменьшающего методические ошибки при измерениях, а также методов обработки полученных экспериментальных результатов, позволяющих выявить тенденции изменения характеристик СПД при длительных временах работы;

- разработка методов испытаний материалов на стойкость к ионному распылению, максимально воспроизводящие условия их эксплуатации в разрядной камере СПД;

- выбор и испытания новых керамических материалов, стойких к ионному распылению;

- разработка метода оценки времени разрушения разрядной камеры СПД.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны и исследованы модели двигателей с комбинированными электропроводящими и диэлектрическими участками стенок разрядной камеры, обладающие повышенным уровнем характеристик, и продемонстрирована возможность обеспечения стабильности их параметров в

условиях сильных загрязнений поверхности сгенок РК при стендовых испытаниях;

- разработаны методы исследования процессов изменения формы и структуры поверхностных слоев керамических материалов в РК СПД в течение длительного времени работы двигателя;

- получены новые данные о процессах эрозии керамических материалов в разрядной камере СПД. Показано, что имеет место селективное распыление азота из нитридных соединений (в частности, нитрида бора, обеспечивающего в основном стойкость керамики к ионной эрозии), которое может быть скомпенсировано добавкой азотосодержащих компонентов в керамические композиции, либо добавкой азота в рабочее тело;

- продемонстрировано, что основным процессом, вызывающим так называемую «аномальную» эрозию керамик в СПД, является электронно-стимулированная десорбция соединений керамических композиций, содержащих кислород;

- созданы керамические материалы, обладающие повышенной стойкостью к ионному распылению в условиях рабочею процесса в СПД, и продемонстрирована потенциальная возможность увеличения «ресурса» двигателя при их использовании.

Достоверность, приведенных в диссертации результатов, подтверждается совпадением информации, полученной различными экспериментальными способами; сравнением полученных результатов с данными других авторов; а также путем анализа точности измерений. Имеется хорошая корреляция результатов.

Практическое значение полученных результатов работы:

1. Созданы новые конструктивные схемы РК СПД с секционированными электропроводящими и диэлектрическими участками стенок ускорительного канала.

2. Продемонстрировано, что конструкция РК СПД с комбшшрованием изолированных электропроводящих участков стенок с диэлектрическими обеспечивает повышение и стабильность уровня интегральных характеристик двигателя даже в условиях сильных загрязнений поверхности стенок канала РК при стендовых испытаниях.

3. Уточнен механизм образования «аномальной» эрозии керамики в разрядной камере СПД.

4. Обоснована возможность и созданы керамические композиции с повышенной стойкостью к ионному распылению в условиях рабочего процесса в СПД.

5. Разработаны методики и оборудование, минимизирующие методические ошибки при испытаниях и позволяющие проводить оценки предельного времени безотказной работы двигателя и его элементов.

На защиту выносятся:

1. Новые схемы РК двигателей с секционированными электропроводящим» и диэлектрическими участками стснок ускорительного канала, обладающими повышенной стабильностью инте-

гральшк характеристик.

2. Поэтапная методика укороченных испытаний PK СПД, позволяющая оценить время ее полного разрушения без проведения длительных испытаний.

3. Результаты исследования процессов распыления керамик в условиях разряда в СПД:

- выявление седекгивности распыления азота из нмтридных соединений;

- электронно-стимулированная десорбция оксидных соединений как причина «аномальной» эрозии традиционных для СПД керамических материалов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 6 и 7 Всесоюзных конференциях «Плазменные ускорители и ионные инжекторы» в 1986 и 1989гг.; Всесоюзной конференции «Новые технологии и роботехнические комплексы при производстве авиационной техники» в 1990г.; Всесоюзной конференции «Применение электронно-ионной технологии в народном хозяйстве», в 1991г.; Научно-техническом семинаре «Новые процессы и технологии дня нанесения покрытий», в 1991г.; 2 Всесоюзной конференции «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц» в 1991г.; 18 Международном симпозиуме по космической науке и технологии (International Symposium on Space Technology and Science (ISTS) Conference) в 1992г.; 2 и 3 Германо-Российских конференциях «Электроракетные двигатели и их техническое применение» (German-Russian conference «Electric propulsion engines and their technical applications») в 1993 и 1994гг.; 23,24,25,26,28, 29, 30 и 31 Международных конференциях по электроракетным двигателям (International Electric Propulsion Conference) в 1993, 1995, 1997,1999, 2003,2005, 2007,2009гг.; 1, 2, 3 и 4 Международных конференциях по космическим двигателям (International Conference on Spacecraft Propulsion) в 1994, 1997, 2000 и 2004гг.; 31,34, 35 и 38 Объединенных конференциях по ракетным двигателям (Joint Propulsion Conference) в 1995, 1998, 1999 и 2002гг.; 31 инженерной конференции по экономии энергии (Engineering Power Saving Conference) в 1995г.; 44 и 52 Международных астронавтических конгрессах (International Astionautica! Congress) в 1993 и 2001гг.; 2 Российско-китайской конференции «Двигатели и энергетические установки летательных аппаратов» в 1992г.; Международном симпозиуме по космическим двигателям (International Symposium on Space Propulsion) в Шанхае в 2004г.; 5 Всероссийской конференции «Состояние и проблемы технических измерений» в 1999г., «Юбилейной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения A.B. Квасникова и 30-летшо основания кафедры «Двигательных, энергетических и энергофизических установок космических летательных аппаратов» в 1992г.; Российском семинаре «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» в 1998г.; 3, 4 и 6 Международных конференциях «Авиация и космонавтика» в 2004, 2005 и 2007гг.; 17 и 18 Международных конференциях «Взаимодействие ионов с поверхностью» в 2005 и 2007гг.; 11 Обьединегагой конференции Вакуумного общества (Joint Vacuum Conference) в

2006г.; 5 Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и при-

8

менение высоких технологий в промышленности» в 2008г.; Всероссийском семинаре но электро-ракстным двигателям в МАИ.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 118 научных работ, из них 9 статей в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК; получено 6 авторских свидетельств и 7 патентов (в том числе 4 международных).

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 349 страницах, включая размещенные в тексте 191 рисунок и 11 таблиц, а также списка использованных источников из 389 наименовании; и состоит из введения, пяти глав и заключения (общих выводов).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено краткое обоснование актуальности темы, сформулирована цель диссертационной работы, обозначены основные задачи исследований и разработок, показала научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе приводится обзор основных результатов физических исследований и прикладных разработок в области СПД, уточняются цели работы и пути их решения.

В обзоре опубликованных работ показано, что, как в изучении физических процессов, так и в исследовании влияния различных факторов на характеристики работы СПД достигнуты значительные успехи. Вместе с тем, работы по созданию полной физической картины процессов в двигателе еще далеки от завершения. Особенно слабо изучены пристеночные процессы. Это опреде^ется, в частности, сложностью диагносгики этих процессов из-за малых размеров пристеночных слоев. Отмечается, что выполненные к началу работы прикладные исследования позволили создать модели двигателей, удовлетворяющие совреме1шьш требовашим разработчиков КА. Наметившееся расширение использования данных двигателей выдвигаег перед исследователями СПД необходимость не только повышения уровня характеристик и времени безотказной работы двигателя, т и решение задач повышения фокусировки струи и обеспечения стабильности интегральных параметров в течение назначенного ресурса работы КА. Анализ работ по исследованию рабочих процессов >; совершенствованию конструкции СПД на момент начала работ показал, что существующие модели двигателей обладают выходными характеристиками, достаточно близкими к теоретически достижимым. Дальнейшее совершенствование двигателя возможно путем улучшения параметров отдельных процессов.

Для решения поставленных в работе задач был предложен переход к схеме двигателя с электропроводящими стенками РК в прианодной области, которая, в комбинации с изолированными электропроводящими кольцами в зоне ускорения (ЗУ), позволила бы поддерживать высокую эф-

фективность двигателя в течение длительного времени. Возможность создания эффективного двигателя с предложенной схемой РК вытекает из того, что в современных СПД на оптимальных режимах работы ЗУ «оторвана» от анода и располагается в районе максимума распределения вдоль РК радиальной составляющей индукции магнитного поля. При этом во всей приаподдой области разряда потенциал плазмы изменяется весьма незначительно. В диэлектрическом варианте каждый участок сгенок канала РК приобретает потенциал «плавания», определяемый равенством ионного и электронного токов на него. Так как в прианодной области разность потенциалов между соседними участками невелика, т.е. стенка практически эквипотенциальна, то представлялась возможным замена диэлектрика в этой части РК на электропроводящий материал. При этом не ожидалось существенных изменений в протекании процессов в прианодной зоне и, соответственно, в работе двигателя в целом. Предлагаемая схема РК является также актуальной для модулей СПД повышенной мощности, у которых из-за больших размеров разрядных камер возникают затруднения при изготовлении камеры из-за сложности обработки тонкостенных конструкций больших размеров из теплостойких керамических материалов и получения высококачественных заготовок для них. Переход к схеме с электропроводящими стенками РК позволяет упростить процесс производства двигателей.

Для повышения характеристик и фокусировки ионного потока была выбрана предложенная ранее в МАИ схема разрядной камеры двигателя с изолированными электропроводящими кольцами, установленными в зоне ускорения. Данная схема позволяла повысить эффективность двигателя за счет лучшей фокусировки ионного потока, но применительно к пей необходимо было рецшть задачу обеспечения стабильности характеристик во времени.

Как уже отмечалось, одним из недостатков современных СПД является чувствительность рабочего процесса в них к загрязнению внутренних поверхностей стенок канала РК. В условиях экспериментальных стендов это происходит из-за осаждения продуктов разложения рабочих жидкостей откачных средств, а также материала, распыленного со стенок вакуумной камеры, поверхностей мишеней, ловушек и т.п. Возможны аналогичные загрязнения и в натурных условиях эксплуатации СПД при попадании в струю двигателя каких-либо элементов конструкции КА, а также проникновении внутрь РК различных веществ из струй химических двигателей и т.п. Поэтому представляла интерес целенаправленная разработка конструкции двигателя, позволяющей снизить влияние загрязнений на рабочий процесс в нем.

Для достижения стабильности характеристик было предложено выполнять разрядную камеру с уширенным каналом в прианодной области разряда с использованием электропроводящих материалов в зоне уширения. Это, наряду с подбором положения анода, позволяет «поджать» обращенную к аноду границу зоны интенсивного ионообразовашгя и расположить ее оптимально относительно распределения магнитного поля. Действительно, при такой схеме представлялось воз-

10

можны.ч достаточно надежно заэкранировать по крайней мере часть поверхностей диэлектрических элементов, разделяющих прианодную часть стенок РК и изолированные проводящие кольца, установленные на выходе из камеры. Выполнение стенок в прианодной части РК либо из того же материала, из которого изготовлены кольца, либо из материала, обладающего хорошей адгезией к материалу колец, позволило бы решить задачу снижения чувствительности рабочего процесса в двигателе к осаждению на стенки РК распыленного с колец материала.

Данная схема РК обладает приемлемой технологичностью и конструктивными преимуществами но сравнению с камерами, традиционными для СПД. Потенциально в данной схеме легко можно применять новые керамические материалы, более стойкие к ионному распылению, но, в силу своих механических свойств, не позволяющие выполнять РК традиционной для СПД геометрии. Тогда из перспективных материалов можно выполнять только узкие кольца, присоединяя их к металлическому каркасу в прианодной области.

Разрядная камера с металлическими стенками позволяет значительно повысить устойчивость работы двигателя к воздействию различных загрязнений, осаждающихся на стенках РК. Поэтому эта схема представляется не только промежуточным этапом на пути создания СПД с электропроводящими кольцами на выходе РК, но и имеет большое самостоятельное значение. Однако все приведенные в первой главе рассуждения носят лишь гипотетический характер, а слабая изученность влияния электропроводности стенок СПД на процессы в нем не дает возможности без специальных исследований выбрать данную схему в качестве базовой.

Схема с секционированными стенками РК, в дополнешю к электропроводящим стенкам в прианодной области, позволяет получить, помимо стабильности характеристик, повышение эффективности двигателя. Но имеющиеся на момент начала работа данные не давали положительный ответ на вопрос о том, можно ли создать достаточно надежно работающие модели двигателей такой схемы и каковы будут особенности их функционирования и характеристики.

Поскольку в предложенных в работе схемах СПД предусмотрено применение электропроводящих элементов РК, необходимо остановиться на отличиях таких двигателей от сходных по схеме одноступенчатых двигателей с анодным слоем (ДАС). Для двигателей обеих схем общим является использование однотипного слоя ионизации и ускорения рабочего тела в скрещенных электрическом и магнитных полях. Поэтому предельная тяговая эффективность их в принципе одинакова. Одноступенчатый ДАС и СПД содержат сходные элементы и подсистемы. Отличия обусловлены разными подходами к организации рабочих процессов, а именно: в ДАС фиксация положения слоя ионизации и ускорения осуществляется заданием положения анода, а в СПД - положением зоны с максимальными значениями индукции магнитного шля, конфигурацией и расположением стенок РК. Огличием СПД от ДАС является также и то, что в протекании рабочих процессов в первом существенную роль играют стенки РК. Указанные отличия можно пояснить

11

следующим примером. В ДАС, как и в СПД, можно «оторвать» слой от анода, перемещая последний вглубь РК. При этом слой расширяется и локализуется в области максимальных значений индукции магнитного поля, «усиливаются» процессы взаимодействия плазмы со стенками и двигатель становится аналогичен СПД.

При разработке РК с электропроводящими элементами стенок возможны два подхода. При реализации одного то них элементы камеры осуществляют «активное» воздействие па процессы в двигателе, а второго - вносят лишь ((пассивные» возмущения. Однако в действительности из-за существенного влияния пристеночных процессов на работу двигателя абсолютно пассивных воздействий быть не может. Поэтому в работе под ((пассивными» понимаются способы, при реализации которых не привлекаются дополнительные источники энергии или рабочего тела. Оптимизация процессов в двигателе при этом производится лишь изменением схемы, конфигурации и материала стенок элементов РК. Очевидно, что при прочих равных условиях «пассивные» решения обладают явным преимуществом перед «активными» в силу простоты их реализации. Для дальнейшего изучения были выбраны следующие варианты воздействий:

- уширение канала разрядной камеры;

- изменение электропроводности отдельных участков стенок разрядной камеры;

- применение материалов, более стойких к ионному распылению.

Улудшение характеристик (в силу достижения ими уровня насыщения) но мере совершенствования моделей двигателей будет происходить незначительно, иногда в пределах точности измерений. Поскольку в основе доводки двигателей лежат преимущественно натурные исследования, то для того, чтобы выявлять тенденции изменения характеристик, требуются проведения работ по повышению точности и достоверности результатов испытаний СПД. Анализ проблем испытательной техники, применяемой для отработки СПД, показал, что имеется ряд «узких» мест. Так, в первую очередь на получаемые результаты влияют условия испытаний -уровень вакуума и тип средств его создания, размеры и геометрия вакуумных камер. Кроме того, имеются и методические неточности специальных средств измерений. Наибольшие вопросы вызюши: измерения тяги - в силу того, что развиваемое двигателем усилие меньше сопротивления из-за (¡жесткости» подводящих магистралей;

- устройство измерения малых расходов газообразного рабочего тела, проблемой которого является обеспечение независимости результатов измерений от внешних условий испытательного стенда;

- система измерения локальных параметров плазмы - из-за многофакторности и методической неопределенности в условиях рабочего процесса в СПД;

- система измерения параметров ионной струи - из-за влияния потоков вторичных ионов.

Особые условия накладывают проведение длительных испытаний, характеризующееся нане-

12

сением загрязняющих покрытий на функциональные элементы двигателя, изменяющие их физические свойства. Помимо этого из-за нсустойчивосгей в разряде СПД часть регистрируемых параметров может сильно зависеть от «шумовых» наслоений, которые снижают точность и достоверность метода измерения. Особенно это актуально при использовании аппаратуры или условий испытаний с регистрацией больших объемов данных. Их обработка традиционными методами приводит к неоправданной потере информации или позволяет некорректно трактовать результаты. В условиях достаточно большой стоимости испытаний СПД это также и экономически неоправданно. Все это подчеркивает необходимость дальнейших работ по модернизации, как методик измерений, так и специальных измерительных средств и приборов. Поэтому одной из задач, решаемых в работе, было совершенствование существующих методик и аппаратуры и разработка новых методов, повышающих достоверность измерений.

Решение поставленных вопросов и составляло конкретные задачи данной работы. Кроме того, представляет практический интерес создание двигателей повышенной мощности и проверки на них результатов по контролируемому воздействию стенок РК па рабочий процесс в СПД.

В завершающем разделе первой главы приводится обзор результатов, полученных в других организациях в период выполнения настоящей работы и не нашедших подробного отражения в тексте других глав диссертации.

Вторая глава посвящена вопросам, возникающим при стендовых испытаниях СПД. Описываются используемые в работе методики измерений, оценки их точности. Рассмотрены новые подходы к обработке экспериментальной информации, повышающие ее достоверность. Приведены результаты разработки уникальных измерительных приборов, приспособленных для исслсдоваши параметров СПД. Рассмотрены отдельные вопросы влияния условий испытаний на регистрируемые параметры двигателя.

Испытания ЭРД и, в частности СПД, - трудоемкий процесс, требующий использовашм вакуумных камер большого объема с высокопроизводительными системами поддержания динамического вакуума, применения уникальных устройств, инструментов и измерительных приборов. В большинстве они не доступны как промышленные изделия широкою распространения (особенно это касается устройств измерения малых величин тяги, расхода газообразного рабочего тела, некоторых параметров плазменной струи). Такие устройства, применяемые в организациях, занятых разработкой и исследованиями СПД, как правило, являются продуктом индивидуального изготовления и их метрологическое обеспечение не позволяет проведение грамотного сравнения характеристик одной и той же модели двигателя, испытанной в разшА рабшадоцргашдааиприг^рая'лты отработки тягоизмерителыюго устройства с повышенной стабильностью измерения усилия. За основу было выбрано устройство ИТ-05, созданное в 80-е

годы в Днепропетровском государственном университете для испытаний термокаталитичсских двигателей. Даш1ый тягомер представляет собой двухопорный маятник с компенсацией тягового усилия и датчиком перемещения емкостного типа. В результате проведенного анализа были выявлены факторы, препятствующие эффективному использованию ИТ-05 при испытаниях СПД, Были переработаны механическая и электронная часть устройства и созданы изделия, получившие название «система измерения малых сил (СИМС)». От первоначачыюй конструкции остались только принципиальная схема, габаритные и посадочные размеры. В результате проведенных консгрук-тореко-техиологических мероприятий удалось создать устройства СИМС-100 и СИМС-200 (измеряемое усилие в диапазоне 1...200мН), которые позволили существенно повысить точность (в 1,5 раза для минимального диапазона измерения и почти на порядок на максимальном диапазоне до 0,2%) и стабильность измерений тяги при работе СПД. Данные устройства были изготовлены малой серией (12 шт.) и успешно эксплуатируются помимо МАИ в РКК «Энергия», ИЦ им. М.В. Келдыша и в зарубежных исследовательских центрах в Индии, Китае, Израиле и Франции.

Рассмотрены совместно с Калшлшградским государственным университетом вопросы создания расходомеров анемометрического типа на базе термисторов. Данные расходомеры имеют высокий уровень выходного сигнала, что способствует повышенной помехозащшцешюсти данных. Их расходные характеристики линейны в широком диапазоне расходов и независимы от внешних условий испытаний на стенде. Конструкция расходомеров позволяет размещать их в вакуумной камере непосредственно возле двигателя. В результате удается снизить погрешность измерения расхода до 0,4... 1 %.

Подробно анализируется комплекс факторов, влияющих на точность проведения зондовых измерений в условиях разряда СПД. По результатам анализа выработаны рекомендации по выбору ' размера зондов (диаметр приемной поверхности должен быть в пределах 0,1<с/з«1,1мм) и времени снятия зондовой характеристики (~200мс). Показано, что с помощью методики графического вычленения груши,! быстрых электронов можно получать достаточно достоверные данные по температуре плазмы. При обработке зондовых характеристик наиболее точное значение потенциала плазмы традиционно дайт метод определения по максимуму первой производной или нулю второй производной. Однако на практике при исследовании плазмы СПД (вследствие влияния колебаний разного рода) в области тока насыщения на графике первой производной имеется несколько локальных максимумов, а на графике второй производной - ещё большее количество точек пересечения и касания оси абсцисс, из-за чего возникают трудности в определении потенциала плазмы. Для их преодоления разработано программное обеспечение, использующее сочетание всех методов определения потенциала плазмы по зондовой характеристике.

Для измерений в сгрус плазмы в работе использовались: многосеточный анализатор собственной конструкции (грехсеточный с использованием торможения ионов на сегке), накалыгый и

14

фарадеевский зонды. На основании проведенного анализа и оценок разработан программно-аппаратный комплекс для исследования локальных параметров плазмы в разрядной камере и струе СПД, внедренный в ряде организаций.

В данной главе приводится также анализ влияния условий в вакуумной камере на результаты испытаний. Показано, что критериями для проведения тех или иных экспериментов с СПД являются давление остаточной атмосферы и геометрические размеры обечайки камеры и приемника пучка ионов. Основным фактором, влияющим на результаты измерений, являются обратные потоки в РК атомов рабочего тела и «перезарядочных» ионов. Для выполнения требования, чтобы обратный ноток был не выше ~5% массового расхода из двигателя, при испытаниях модели СПД-100 динамическое давление в вакуумной камере должно быть меньше 8,510~3Г1а (по ксенону). Сравнение значений характеристик двигателя, достигнутых в ходе космического полета и измеренных на Земле, показывают, что их разница также не превышает ~5%. Такое совпадение объясняется тем, что процессы ионизации и ускорения в двигателе имеют объемный характер, и что в ходе наземных испытаний большая часть обратного потока газа из камеры в двигатель является атомами рабочего тела. Результаты экспериментальных исследований для СПД-100 показывают, что при давлении выше, чем ~7,5-10"3Па, можно заметить изменения в параметрах двигателя, существенно меняются и условия работы катода. Требования к динамическому давлению при исследовании струи СПД должны быть более жесткими, чем те, что обычно рекомендуются при испытаниях двигателей. При оценке критического давления в ходе измерения параметров струи необходимо учитывать взаимодействие ускоренных ионов с остаточным газом. Сечение резонансной перезарядки для этих процессов возрастает с уменьшением энергии иона и равняется- примерно 5,Н0~19м2 для атомов Хе с энергией порядка ЮОэВ. При условии, что на расстоянии более 1м от среза двигателя вероятность перезарядки не должна превышать 0,01, то остаточное давление должно быть ниже 1,3-10"4Па. Измерения в струе модели СПД-100 показывают, что для диапазона остаточного давлеши 2,6Т0"4...8-10"3Па, неточности в измерении плотности ионного тока на периферии струи могут достигать почти порядка. Вместе с тем, для центральной части струи (в пределах полуугла -40 градусов от оси), результаты измерений остаются в рамках приемлемой точности до остаточного давления ~8-Ю'3Па. Относительно уровня обратных потоков частиц, распыленных со стенок камеры, можно ввести ограничение, что их доля должна быть меньше по сравнению с самозагрязнением из-за испарения, десорбции и распыления элементов двигателя. Распы-лешгыс обратные потоки зависят от геометрии и размера камеры, поэтому их верхний предел должен определять требования к минимальным размерам и геометрии вакуумных камер для данного двигателя. Типичным для СПД является уровень эрозии керамических стенок ~5...30А/с, при этом в результате нерепыления эродирующего материала скорость формирования покрытия около ~1 А/с. Основываясь на этих данных, для проведения длительных испытаний сформулировано тре-

15

бовалие к скорости осаждения распыленного материала со стенок вакуумной камеры (материал ст енок - нержавеющая сталь и титан) на керамические поверхности - менее чем 0,1А/с.

Далее во второй главе рассмотрена оригинальная методика многопараметрического анализа экспериментальной информации на базе специальных математических методов обработки данных с целью максимального их использования. В данной методике использовался метод оптимачьной фильтрации Калмана (ОФК), представляющий собой последовательные алгоритмы оценивания состояния, обеспечивающие минимальную среднеквадратическую ошибку оценки. Использование метода оценки вектора состояния, основанного па применении алгоритмов ОФК, позволяет повысить точность идентификации параметров состояния по сравнению с традиционно использующимися методиками. Так, идентификация тяги при анализе длительных испытаний с использованием методов фштьтрации позволяет повысить точность определения параметра на 25%. Данный метод можно применять для повышения достоверности экспериментальной информации при длительных испытаниях СПД. При затруднениях в обеспечении стабильности измерения параметров двигателя с помощью данной методики можно с достаточной точностью выявить тенденции в их изменении.

Рассмотрены особенности токопереноса от катода к срезу РК. Данное исследование важно с точки зрения влияния положения и режимов работы катода на формирование функции распределения электронов по энергии (ФРЭЭ) в канале двигателя. В ряде широко известных работ было показано, что вид экспериментально полученной ФРЭЭ в канале двигателя, на которой выделяют три группы электронов, может быть объяснён существованием двух первичных групп электронов. Первую группу составляют электроны, образованные в результате ионизации рабочего газа в канале с максвелловской функцией распределения электронов по энергиям. Вторая группа представляет собой замагничешшй пучок электронов, приходящий в канал с катода-компенсатора, соответствующая функция распределения электронов также является максвелловской, но смещенной так, что средняя энергия соответствует средней энергии пучка. Третья группа - «промежуточная».

Эксперименты проводились с использованием двух типов полых катодов - диафрагмированного с плоским эмиттером и кахшллярного. Попутно решался вопрос о выявлении отличий в работе двигателя с разными катодами (диафрагмированный катод в основном использовался в лабораторных исследоваш1ях, а с капиллярным эмиттером - в летных моделях СПД) и их расположении относительно среза ускорительного канала. В обоих случаях использовался эмиттер, выполненный из гексаборида лантана. Исследования проводились на модели СПД М-70 в диапазоне разрядных напряжений 200...600В при расходе рабочего тела через анод - 2,2бмг/С, через катод - 0,26мг/с. Исследования макроскопических параметров, таких как интегральные характеристики двигателя и угловое распределение ионов по энергиям, а также локальных параметров плазмы в струе двигателя на расстоянии 450мм, показали слабую зависимость их уровня от типа используемого катода, его положения и режима работы. Замеченные отклонения параметров были в пределах точности

16

измерении. Было отмечено, что наибольшей стабильностью уровня характеристик двигатель обладает при работе с катодом с эмиттером капиллярного типа.

По результатам измерений локальных параметров плазмы можно констатировать, что в области между плоскостью расположения катода-компснсатора и плоскостью среза канала двигателя экспериментальные ФРЭЭ в области низких энергий по своему виду ближе к функции Дрюве-стейна, чем к функции Максвелла, и в некоторых случаях точно совпадают с ней. В области, расположенной за плоскостью установки катода, вид экспериментальных ФРЭЭ начинает приближаться к функции Максвелла и в некоторых случаях совпадает с ней. Кроме основной группы электронов на графиках ФРЭЭ присутствуют дополнительные максимумы, но интерпретацию дать им сложно, так как однозначную корреляцию высоты и положения этих максимумов с каким-либо параметром разряда или положением зонда найти не удалось. Можно только заметать, что «странный» вид (с несколькими гипертрофированными горбами) ФРЭЭ чаще всего имеют при высоком напряжении разряда или при большом отклонении потенциала поджигного электрода катода от нормального значения (4...6В), что верно для всех испытанных катодов. Наиболее вероятной причиной этого явления представляется возбуждение колебаний потенциала или плотности частиц (скорее всего в катоде). Данные колебания не заметны на зовдовой характеристике, но оказывают влияние на её вторую производную. Причем частота этих колебаний больше частоты генератора зондовых сигналов (5Гц) и меньше рабочей частоты дискретизации использованного осциллографа (5кГц). Оценка частоты колебаний по интервалу между локальными максимумами аналогичных горбов на второй производной зондового тока по времени даёт величину ~25мс, что соответствует частоте близкой к 50Гц, т.е. частоте питающей сети. Особого влияния типа катода, его положения относительно среза двигателя и режимов работы выявлено не было, поэтому в дальнейшем в работе были использованы в основном лабораторные катоды при условии подачи в них минимально возможного расхода рабочего тела

Третья глава посвящена рассмотрению вопросов, связанных с процессами ионного распыления в разрядной камере СПД.

В первом разделе подробно проанализированы факторы, которые отличают процессы распыления в разряде СПД от традиционно изучаемого явления в модельных экспериментах. Среди определяющих выявлены: локальный разогрев стенок РК, приводящий к экспоненциальному росту их распыления (это особенно важно для керамик, поверхностные слои которых в силу низкой теплопроводности имеют высокую температуру); а также образование сложного рельефа поверхности, получившего название «аномальной» эрозии. Последствия взаимодействия ускоренных ионов со стенками РК - разрушение стенок за спет ионного распыления и переиыление продуктов распыления на другие участки. Последнее будет приводить к образованию на стенках покрытий с из-

меняющимися по времени свойствами. В результате можно прогнозировать, как минимум, изменение диэлектрических свойств стенок РК двигагеля. Кроме того, перестройка состава поверхности будет изменять условия взаимодействия с ней частиц плазмы, например, процессы вторичной электронной эмиссии. Все это должно приводить я, как показывает практика, приводит к перестройке рабочего процесса в СПД. Рост пленок будет все более существенно влиять на параметры двигателя по мерс увеличения времени его функционирования. Полное разрушение стенок РК и последующее более интенсивное распыление элементов магнитной системы приводит к существенному ухудшению характеристик СПД.

Процессами взаимодействия частиц высоких энергий с поверхностями исследователи занимаются давно. Достаточно большое внимание уделялось им и при отработке моделей СПД. Однако фундаментальные работы не затрагивали всей полноты явлений, возникающих при взаимодействии ускоренных ионов с материалами в характерных условиях разряда в двигателе. Прикладные же исследования, применительно к СПД, носили в основном описательный характер и был« направлены на решение отдельных вопросов. Не проводилось целенаправленных работ по созданию новых материалов, позволяющих существенно увеличить время безотказной работы СПД. В связи с этим в работе проведены: обобщение накопленных результатов и выработка научно-обоснованных рекомендаций по подбору материалов (в основном диэлектрических) для РК СПД. Необходимо было разработать методики и исследовать разрушение различных материалов при воздействии ускоренных потоков ионов; создать новые материалы, более стойкие к распылению в условиях рабочего процесса СПД; продемонстрировать возможность работы двигателя с высоким уровнем интегральных характеристик при использовании новых материалов стенок РК; рассмотреть вопросы, связанные с частичным упрощением процедур «ресурсной» отработки камеры.

С целью выявления отличительных особенностей и основных факторов, определяющих процессы распыления керамических материалов в условиях рабочего процесса в СПД, были проведены специальные исследования. Анализировалась динамика распыления и изменение состава материала образцов по времени. Унос материала определялся весовым и оптическими методами. Аналитическая диагностика образца выполнялась методом резерфордовского обратного рассеяния (POP) ионов Не+ и Н+, позволяющим определять абсолютное содержание атомов в структурах. Исследования образцов методом рентгенофлуоресцентного анализа при полном внешнем отражении возбуждающего рентгеновского излучения проводились с целью уточнения состава поверхностных слоев керамики и идентификации ряда тяжелых элементов, которые не могли быть однозначно идентифицированы методом POP.

Эксперименты проводился в вертикальной вакуумной камере обьемом -2,5м'' с «безмаслян-ными» средствами откачки, что обеспечивало условия «чистого» вакуума, необходимого для проведения анализа поверхности. В экспериментах использовался стационарный плазменный двига-

18

тель типа СПД-70. Изолятор двигателя был изготовлен из керамики типа БГП-10. Контроль осуществлялся по трапециевидным вставкам на стенках камеры в зоне распыления. Двигатель работал на ксеноне в номинальном режиме в несколько этапов с суммарной наработкой 44 часа.

Исследования по методу POP показали, что исходный состав керамического материала следующий: В0.зiN0,31О0.15С0.16Sio.o&Xo.o 1 (X - примеси), с малыми добавками Хс. Помимо основных структурообразующих элементов керамики, как показали рентгенофлуоресцентные измерения, в материале присутствуют технологические примеси А1, Са и Fc в количествах около 0,7%, 0,2% и 0,1%, соответственно. В качестве специальных добавок в материале присутствуют в микроколиче-сгвах атомы Zr и Hf. Характерно, что эти элементы распределены по объему материала неравномерно, в виде отдельных микрозерен с характерным составом ZrCb и НГСЬ.

Анализ динамики распыления показал, что во время работы двигателя наблюдалось заметное «вымывание» азота из приповерхностных слоев керамики (толщиной 400...900А), что могло быть причиной увеличения коэффициента распыления материала. Поскольку основой стойкости керамики к ионному распылению является соединение бора и азота, была высказана гипотеза о возможности управления синтезом этого соединения в процессе плазменного воздействия. Для проверки этой гипотезы был подготовлен и проведен специальный эксперимент. Цепыо данного исследования, являлось определение изменений элементного состава керамического изолятора СПД, работающего на смеси газов: ксепон+азот. Условия проведения эксперимента были аналогичны предыдущим испытаниям. Изолятор двигателя был изготовлен из керамики типа БГП-10, использовались «старые» вставки после 44 часовой серии и «новые». Суммарное время двигателя при работе на смеси газов составило 28 часов. Анализ методом POP показал, что в последнем эксперименте «вымывания» азота не происходит ни на старых, mi 11а новых образцах. Более того, после работы на смеси газов концентрационный профиль «старых» образцов восстановился. Для «новых» образцов эффекта изменения концентрации азота обнаружено не было. Это можно объяснить тем, что перестройка состава материала, возможно, связана напрямую с изменением (образованием и разрушением) в нем нитрида бора.

В целом, основными результатами данных исследований можно считать:

- распределение концентрации атомов в поверхностном слое резко изменяется в течение первых 10 часов работы двигателя;

- толщина «поврежденного слоя» (изменение стехиометрии) составляет-1,5...2мкм;

- толщина «поврежденного слоя» зависит от первоначального микрорельефа поверхности;

- изменение в микрорельефе на экспериментальной временной базе не отмечено;

- имеет место флуктуации концентрации атомов в зависимости от положения вставок относительно катода;

- среди всех рассмотренных факторов наиболее значимым для процессов распыления является

19

температура поверхности.

Помимо данной серии были проведены исследования натурных образцов стенок РК после длительных испытаний. Их результаты показали следующее. На кольцах из БГП заметая шероховатость проявляется спустя 30... 50 часов работы, а первые следы «аномальной» эрозии спустя 200 часов. При этом по мере увеличения наработанных часов образующийся рельеф продолжает развиваться, образуя углубления с поднутрением. Анализ результатов длительных испытаний СПД, разрядные камеры которых были выполнены из различных материалов, показывает, что время возникновения явления «аномальной» эрозии и характер ее развития существенно зависит от используемого керамического материала. Было сделано предположение, что причиной этого может быть электронно-стимулированная десорбция (ЭСД) компонент керамики, приводящая к возникновению явления селективности процесса распыления. Для проверки данного предположения были проведены специальные исследования на образцах керамики типа БГП (ВН+БЮг) и БМ^ЬМ-! Особенностью данных экспериментов являлось то, что впервые подобные испытания проводились при нагреве материала до 900К (примерная рабочая температура поверхности РК СПД). Результаты показа™, что разрушение керамики происходит за счет термического разложения нитрида кремния, сопровождающегося десорбцией азота, в результате чего на поверхности образуется фаза кремния. Поверхность керамики ВЫ+ЗЮг разрушается в результате ЭСД кислорода. На основании проведенных исследований можно предложить следующие механизмы разрушения керамик в условиях разряда СПД. Особенностью деградации керамики, содержащей нитрид кремния, является то, что при нагреве происходит разложение нитрида кремния с выделением на поверхности фазы кремния. С одной стороны, это изменяет связь между частицами нитрида бора; с другой стороны, распыление кремния ионами идет быстрее, чем Б^з^, и тем более, чем, В1Ч. Поэтому со временем связующее звено в приповерхностном слое вообще исчезает и остается основной компонент ВЫ, что должно повышать стойкость к ионному распылению. Для керамики, содержащей двуокись кремния, можно предположить несколько иной механизм, который может приводить к ускорению разрушения. Связывающие добавки разрушаются не за счет термического воздействия, а за счет электронно-стимулированной десорбции кислорода. Далее процесс может происходить по той же схеме, что и для керамики В№81зЫ|.

Что касается «аномальной» эрозии, то если предположить, что в области разряда происходит перегруппировка электронов, приводящая к бомбардировке разных участков поверхности с различной плотностью электронного тока, то, согласно предложенному выше механизму, аномальная эрозия может ускоряться за счет радиационного повреждения материала электронами.

Базируясь на результатах методических экспериментов и литературных данных, был проведен анализ материалов, которые потенциально должны обладать повышенной стойкостью к ионной эрозии в канале СПД. Было определено, что устойчивость веществ при воздействии ионизи-

20

рованных частиц преимущественно зависит or наиболее прочных химических связей и стабильности электронных конфигураций. При повышении температуры уменьшается прочность всех связей и происходит перераспределение электронных конфигураций. Оценки показали, что с учетом стабильности химических связей при высоких температурах композиция БГП не является оптимальной с точки зрения устойчивости к ионному распылению. Большей стойкостью должны обладать керамические составы, в которых при высоких температурах минимизировано количество смешанных ионов и летучих компонентов. Безусловно, оптимальными в этом отношении является чистый BN. Однако из-за технологических трудностей создание конструктивно прочщлх изделий из данного материала более широкое распространеште получили изделия с добавками различных компонентов для улучшения спскаемости и механических свойств керамического изделия. Бьши предприняты поиски наиболее приемлемой добавки. В результате для температурного диапазона поверхности до 1200К соединением, оптимизированным по летучим компонентам, был признан нитрид кремния SijNi Несмотря на то, что чистый нитрид кремния обладает невысокой устойчивостью к ионному распылению, можно было ожидать, что свойства керамических материалов, сшггезировашшых с использованием 20...40.масс.% SijNj окажутся не хуже, чем у БГП с содержанием Ю...30масс.% Si02. Для проверки этого утверждения требовались экспериментальные исследования. Образцы таких керамик были изготовлены в МАИ.

Эксперименты проводились с использованием в качестве источника ионов СПД с диаметром канала 35мм, позволяющего получать устойчивые потоки квазинейтралыюй плазмы в диапазоне энергий 120...400эВ при плотностях ионного тока на поверхности мишени до 30мА/см2. Коэффициенты распьшения определялись весовым методом. Потеря массы измерялась взвешиванием мишени на высокоточных (точность взвешивания 0,1мг) аналитических весах до и после эксперимента. Мишени (образцы керамик) представляли собой диски диаметром 20..,35мм и толщиной 2...5мм. Особешюстью данных исследований являлось то, что все эксперименты проводились с нагревом образцов до 1500К. Прежде всего было проведено исследование отличий модельных экспериментов от натурных условий облучения в канале СПД. Эксперимент проводился с использованием керамики BN+S13N4. Результаты POP исследований показали, что профили элементного состава образцов, облученных в модельных условиях и в канале СПД, отличаются внедрением атомов ксенона в поверхностные слои мишени в модельных экспериме1ггах. В образцах керамики, облученных в условиях канала СПД, следов ксенона не обнаружено. С учетом неполного моделирования температурных условий можно предположить, что имеется некоторая граничная температура, выше которой керамика выбранного состава не аккумулирует в поверхностных слоях атомы Хе. Однако следует отмстить, что угол падения ионов для образцов в модельном эксперименте составлял 90°, а в канале СПД -45°...60°. Исходя из полученных данных, для обеспечения адекватности модельных испытаний натурным условиям необходимо уменьшать угол падения ионов и

21

повышать температуру образцов.

Анализ экспериментальных результатов по распылению керамик ВЫ+БЮг и ВЫ+Я(3Ы,| свидетельствуют о заметпом влиянии доли нитрида бора на величину коэффициента распыления. На рис. I показаны зависимости коэффициентов распыления (К) от концентрации нитрида бора в составе материала (Сви)-

иг/Кл

1 • ' 1 . N+3102 ■

1 1 ■ в

•

<

I ■ 1

•

■ <

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 содержание ВЧ отн.ед.

0,7 ,

♦ 0,7в n+0,35102 0,6 -)-«0,51вм+0,465ам4-АО,74В№-0Л813Ж 0,5 +ОВИ

1 0,4 о

й 0,3 >-"

0,2 0,1 0,0

♦ '

■ ■

Ао*

♦ » ■ *

> °

♦

500

750

1000 1250

1500 1К

Рисунок 1. Зависимость коэффициентов рас- Рисунок 2. Зависимость коэффициента распы-пыления керамик от концентрации ВЫ ления керамик от температуры

На рис.1точки содержания ВЫ 0,0 соответствуют значениям коэффициентов распыления чистых ЭЮг и 81зЫ4, а точка 1,0 - усреднённому значению У чистого нитрида бора различных модификаций. Видно, что по мере увеличения концентрации нитрида бора в составе образцов, коэффициенты распыления снижаются и стремятся к значениям для чистого нитрида бора. Вместе с тем, характер зависимости У(Свк) для различных групп исследуемых материалов (ВЫ+ЭЮг и ВЫ+81э^) не одинаков, особенно при относительно небольших концентрациях ВЫ (до 40...50%). Так для ВЫ+51зЫ4 уже при 30%-ной концентрации ВЫ значение коэффициента распыяения падает в 2 раза по сравнению с чистым нитридом кремния. В то же время для ВЬ'+5Юг сколько-нибудь заметное падение У по сравнению с чистой двуокисью кремния заметно лишь при концентрациях ВЫ свыше 40%. Однако при высоких концентрациях ВЫ (свыше 80%) обе зависимости близки между собой. Впрочем, это вполне объяснимо, ибо при таких концентрациях влияние нитрида бора на величину коэффициента распыления становится определяющим, и сами значения У сгремят-ся к чистому нитриду бора. За исключением случаев малых (до 10%) и больших (свыше 80%) концентраций нитрида бора, зависимость К(Свы) для композиции ВЫ+31'зЫ4 демонстрирует при тех же концентрациях ВЫ заметно более низкие коэффициенты распыления по сравнению с зависимостью для ВЫ+8Ю2- Причиной этого может являться высокое содержание азота в композиции В№5!'зМ4 и, как следствие, более высокая вероятность восстановления нитрида бора в процессе

ионного распыления.

Зависимость коэффициентов распыления керамик от температуры поверхности показана на рис. 2. Видно, что с ростом температуры коэффициенты распыления увеличиваются. При этом до температуры примерно 900...950К рост значений У практически не заметен, и наиболее существенный рост значений коэффициента распыления наблюдается при температурах свыше 950К. Примечательно, что для чистого нитрида бора зависимость У от температуры поверхности выражена не так сильно - при повышении температуры поверхности с 600 до 1400К коэффициент распыления возрастает всего в 2 раза. Для композицишшых керамик эта зависимость заметно резче -при аналогичном изменении температуры ¥ возрастает в 3,3...3,5 раза для состава BN+SiaNi и в 3,6 раза для состава BN+SiCb- Зависимости коэффициентов распыления от угла падения определялись при двух значениях температуры поверхности - 600 и 1130К для образца BN+Si3N3. Угловые зависимости коэффициентов распыления при данных температурах имеют типичную для данных энергий и материалов форму с максимумом при угле падения ~55°.

Данная серия экспериментов показала, что керамические композиции BN+S13N4 по своей стойкости к ионной эрозии превосходят керамики BN+SiCh особенно при повышенных температурах. Была высказана гипотеза, что причиной этого явления является процесс синтеза нитрида бора непосредственно в приповерхностном слое при наличии избыточного содержания азота (разрушение соединения Si3N4 при нагреве) и стимуляции процесса высокоэнергетичными ионами ксенона. Были также проведены исследования по распылению перспективных керамик: АХ05 (фирмы Carborundum - США; позиционируется как практически чистый нитрид бора) и российского аналога 0,95ВЫ+0,05В20з. Полученные результаты свидетельствуют о слабом отличии процесса распыления данных материалов от БГП, по крайней мере, при низких температурах.

Рассмотрены вопросы прогнозирования и экспериментального подтверждения «ресурса» РК СПД. В тексте диссертации представлены оригинальные численные модели процесса эрозии стенки, отличающиеся заданием области вылета ионов и распределением энергии ионов бомбардирующих поверхность в зоне распыления. Простейшие модели используют лучистую структуру потока, исходящего из некоторых условных точек, определенных экспертным путем. Распыляющая способность потока задается на основе экспериментальных данных вдоль каждого луча и остается неизменной в ходе всего периода моделирования. Более сложная модель учитывает доуско-рение ионов в пристеночном слое, оставаясь в рамках модели линейной структуры потока. Для задания энергии ионов использовались экспериментальные данные по распределению потенциала в канале СПД, а доускорение ионов в районе стенки учитывалось с использованием аналитического решения по распределению потенциала для бесконечно удаленной стенки. Другой подход в построении моделей распыления оспован на искусственном задании области наиболее вероятного ионорождения, случайного определения места рождения иона в ней и первоначальном выборе на-

23

правления движения иона. Алгоритмом предусмотрено построение траектории движения ионов в электрическом поле и определяется место их взаимодействго) со стенкой. Главным вопросом точности расчетов по данным моделям является корректное задание области ионорождения в канале и построение распределения электрического поля в нем. Построение электрического поля осуществлялось с использованием данных зондовых измерений в канале. Проверка правильности решения выполнялась с учетом экспериментальных данных о распылении во время длительных испытаний.

Наиболее достоверными явились расчеты, при которых решалась обратная задача восстановления области рождения ионов по результатам распыления стенок камеры на первых часах работы двигателя. Исходными данными для таких вычислений являются: геометрия разрядной камеры; параметры модели электрического поля; данные о частотах ионорождения; физические свойства керамики и рабочего тела СПД; характеристики распыления керамики; данные о скорости распыления стенок канала (могут быть использованы вычислешш, полученные при решении предыдущих задач или экспериментальные данные). Была проведена серия расчетов и выполнено их сравнение с экспериментальными данными. Получена сходимость с экспериментом на уровне 15...20%.

Результаты численных исследований процессов распыления стенок РК показали, что сущест-. венньм вклад в распыление вносят ионы, образовавшиеся вблизи стенки и доускоряющиеся в пристеночном слое. Это частицы относительно низких энергий (менее 100...150эВ) и падающие под относительно большими углами к поверхности (более 30...40°). Было также замечено, что удовлетворительная сходимость расчетов с экспериментальными профилями распыления достигается при использовании температурной зависимости коэффициента распыления.

Значительное влияние на результаты прогноза может оказывать точность задания коэффициентов распыления, определяемых экспериментальным путем. Для сокращения времени испытания образцов была разработана и обосновала методика, совмещающая эксперименты по определению коэффициентов распыления с длительными испытаниями двигателя. Данная методика была передана в ИЦ им. М.В.Келдыша и успешно реализована.

Традиционно для прогноза времени разрушения РК СПД служат различные полуэмпирические зависимости. Альтернативой им может служить «поэтапная методика» испытаний. Суть ее заключается в проведении кратковременных испытаний, прогнозировании процесса распыления, механическом удалении потенциально распыленного материала и проведении кратковременных испытаний, подтверждающих работоспособность двигателя. В основе методики лежит экспериментально зафиксированное изменение характера износа выходной кромки разрядной камеры. Процесс разделен по времени на две части: начальную (па которой происходит основной унос материала стенки - участок с большой скоростью эрозии, при которой стенки камеры как бы подстраиваются под поток), и конечную (с малой скоростью эрозии, определяемой большими углами падения ионов на стенку и, следовательно, малым коэффициентом распыления последней). При-

24

чина такого характера эрозии лежит в скачкообразном изменении распыляющей способности, вызываемой тем, чго при развороте профиля поверхности градиент угловой зависимость относительного коэффициента распыления меняет свой знак. В первом приближении можно принять, что эти два участка линейны. При детальном анализе данных длительных испытаний можно проследигь, что излом зависимости наступает при повороте профиля на 15...20° от оси двигателя.

Экспериментальная проверка поэтапной методики была проведена на модели М-70, разряд-пая камера которой была выполнена из алюмопитрида бора. Полученные результаты подтвердили возможность использования предложенной методики для СПД. Дапная методика передана в ИЦ им. М.В. Келдыша и успешно там реализована.

В четвертой главе приводятся результаты исследовашгя и разработки моделей СПД с контролируемым взаимодействием илазмы со стенками разрядной камеры.

В результате анализа механизмов взаимодействия плазмы со стенками разрядной камеры в СПД были выявлены в качестве превалирующих следующие процессы. Изменение энергетических характеристик электронной компоненты со стенками, которое влияет на формирование объемного заряда и электрического поля. Уменьшение дрейфовой составляющей скорости электронов при их столкновении со стенками, что приводит к возникновению «пристеночной проводимости» и, следовательно, также влияет на распределение всех основных параметров и характеристик двигателя. Измените заряда и энергии ионов, приводящее к потере заряженных частиц, повторной ионизации образовавшихся атомов и выделению значительной энергии на стенках РК. Последнее способствует разогреву и разрушению (распылению) материала стенок. Электрические аспекты влияния степок разрядной камеры, обладающих определешюй емкостью и способных определять характеристики колебательных явлений в плазме.

На основании анализа для повышения характеристик и стабильности рабочего процесса были предложены следующие направлешм исследований: создашвд условий с однородностью электрических свойств стенок в прианодной части канала и удаление этих стенок от ядра потока; ослабление взаимодействия ускоренных ионов со стенкой путем изменения ее электрофизических свойств в зоне ускорения.

Были проведены исследования моделей двигателя с изменяемой протяженностью канала разрядной камеры. Эксперименты проводились на стандартной лабораторной модели СПД типа М-70. Полученные в результате испытаний данные свидетельствуют о том, что для разрядных напряжений до 300В при выдвижении анода к срезу (сокращении длины канала с 25 до 12мм) тяговый к.п.д. и цена тяги меняются незначительно, даже зафиксирован небольшой рост характеристик, вызванный повышением тяги. При дальнейшем выдвижении анода к срезу (длина канала менее )2мм) характеристики модели существенно ухудшаются. Сравнение параметров со стандарт-

ным СПД покачало, что повышение тяги определяется исключительно увеличением полного ионного тока пучка. Зона интенсивной ионизации и формирования ионного потока в модели с коротким каналом сдвинута к срезу. Врезультате имеет место увеличение температуры электронов и плотности ионного тока на стенки в прианодной области, что и определяет повышение неэффективных затрат энергии на единицу длины канала данной РК. В результате, несмотря на сокращение длины канала, в экспериментальной модели не удалось заметно повысить тяговую эффективность двигателя. Полученные результаты позволяют выработать следующие рекомендации: модели СПД могут устойчиво работать при сокращении длины капала РК до значений, равных ширине самого канала, без ухудшения тяговых характеристик. При этом величина радиальной составляющей индукции магшггного поля у анода может достигать -0,3Вг(г)„ах от максимальных значений. Для достижения высокого уровня тяговых характеристик и стабильного режима работы моделей с коротким каналом РК необходимо обеспечить высокую азимутальную однородность подачи рабочего тела и точность установки анода.

Влияние стенки канала на формирование электрического поля в прианодной области РК выражается в повышенных абсолютных значениях градиента потенциала в направлении стенки. Это сказывается на структуре электрического поля в зоне формирования ионного потока в направлении среза сильнее влияния положения анода. Увеличите ширины канала должно привести к уменьшению градиента концентрации электронов в направлении стенки, в результате должна уменьшиться напряженность электрического поля в направлении стешси канала и улучшиться фокусировка ионного потока. Достоинствами предлагаемого решения являются также меньшие плотности тепловых потоков на элементы конструкции, что должно снизить результирующую цену иона и повысить энергетическую эффективность СПД.

Были созданы лабораторные модели СПД (типа М-70 и М-50) разной мощности с расширенным в прианодной области каналом, которые показали хорошую стабильность работы и удовлетворительную повторяемость параметров при многократном запуске при фиксированном напряжении и расходе. Данные модели получили обозначение СПД ПА. Сравнение интегральных характеристик моделей М-70 и М-70Г1А, полученные путем их многократного измерения (рис. 3), свидетельствуют о том, что расширите прианодной части канала позволяет улучшить основные параметры двигателя (цена тяги - Ст и тяговый к.п.д. -т]7) на 7...10%. Положительный эффект получен, главным образом, за счет повышения тяги, создаваемой двигателем, так как значения разрядного тока в обеих моделях практически не отличаются. Испытания модели М-50ПА в диапазоне разрядных напряжений £/¿,=120..,320В и расходе т0=1...2мг/с также продемонстрировали, что повышение тяговых характеристик при расширении прианодной части канала возможно и для моделей СПД меньшего типоразмера с повышением тяговой эффективности нате же ~7... 10%.

Исследования выходных параметров ионного пучка на моделях с уширенной прианодной области свидетельствуют о том, что величина интегрального ионного тока и средняя скорость ионов остались практически неизменными, т.е. увеличение тяги обусловлено в основном повышением качества фокусировки ионного пучка. В модифицировашшга моделях достигнута значительно лучшая фокусировка ионного потока, по сравнению со стандартной моделью СПД: так 95% ионного тока пучка модели М-70ПА регистрируется в пределах угла 34°, тогда как для М-70 этот показатель составляет 45°, т.е. снижение расходимости ионного пучка составляет ~24%; уменьшение расходимости пучка в М-50ПА составило -30%.

Были созданы модели-прототипы СПД М-70Г1А и М-50ПА, результаты испытаний которых свидетельствуют, что расширение прианодной части канала позволяет значительно улучшить тяговые характеристики СПД (на 7...10%) и снизить на 10...15° расходимость ионного пучка.

Эксперименты по изменению геометрии стенки РК в прианодной области разряда СПД показали зависимость работы двигателя от характера организации подачи рабочего тела. Максимальный уровень характеристик был получен в случае, когда подача газа осуществлялась таким образом, чтобы обеспечить максимальную однородность потока атомов на входе в зону основной ионизации. Было проведено численное моделировашю движения атомов рабочего тела в РК с целью выбора наиболее оптимальной схемы их ввода. Результаты моделирования показали, что, изменяя геометрию стенок капала и способ подачи газа, можно получать различное распределение нейтральной компоненты на входе в зону интенсивной ионизации. Для коротких каналов особегаю со ступенчатой геометрией стенок было рекомендовано использовать «обратную» относительно среза РК подачу рабочего тела. Результаты исследования были использованы при разработке моделей-прототипов СПД для ИЦ им. М.В. Келдыша и запатентованы.

Как уже отмечалось выше, в реальных условиях на работу СПД существенное влияние оказывают неоднородности свойств поверхности керамических стенок. Среди них следует выделить:

загрязнение покрытиями, приводящее к изменению, например, вторичной электронной эмиссии; различная шероховатость стенок РК на отдельных участках, вызывающая неоднородность пристеночного тока в азимутальном направлении, наличие пор в приповерхностном слое, вскрытие которых может приводить к выделению большого количества гата в РК. Они могут являться причиной возникновения неустойчивостей, снижающих эффективность работы СПД. Замена материала стенок камеры двигателя, например, на металл позволит существенно уменьшить влияние перечисленных выше факторов, так как металлы обладают более упорядоченной структурой.

Для дальнейшего изучения были выбраны следующие варианты конструктивных схем РК, представленные на рис. 4. В первой из них (рис. 4а) прианодная часть РК выполнена из проводящего материала, электрически изолированного от остальных элементов двигателя. Выходная же часть представляет собой диэлектрические кольца. Хотя данная РК имеет секционированные стенки, однако в работе с целью отличия от другой схемы СПД с такой камерой получили название двигатели с проводящей камерой (ПК) и обозначение СПД ПК.

а)

ж

Рисунок 4. Конструктивные схемы РК, исследованные в работе

б)

Вторая схема (рис. 46) представляет собой развитие первой и отличается от нее тем, что на диэлектрике установлены изолированные проводящие кольца. Камера данной схемы состоит из двух изолированных друг от друга электропроводящих секций. Такие РК получили название электропроводящих камер секционированных (ПКС), а соответствующие двигатели - СПД ПКС.

Влияние потенциала электропроводящих стенок РК на характеристики СПД показало, что при потенциале стенок, близком к катодному, получается растущая вольтамперная характеристика двигателя на оптимальных режимах и эффективность его низка. Характеристики двигателя при анодном и «плавающим» потенциале стенок близки к традиционному уровню и слабо отличаются друг от друга. При этом модель устойчиво работает до значении разрядного напряжения -600В. Измерение распределения электронного тока между анодом и электропроводящей стенкой, в случае включения ее в разрядную цепь (т.е. задание на ней анодного потенциала), показали, что ~60...70% электронного тока принимается именно электропроводящим стенками. Это может привести к достаточно сильному разогреву конструкции разрядной камеры, что при больших разрядных напряжениях может вызвать электрический пробой между РК и магнитной системой. Исходя из этих результатов, для данной схемы РК было рекомендовано использовать полностью изолированные электропроводящие стенки.

Исследование влияния длины диэлектрических колец на характеристики двигателя проводилось на модели М-100ПК при следующем ряде размеров колец: 15; 7,5; 5,5мм, причем последнее значение по протяженности совпадает с зоной следов ионной эрозии стенок диэлектрической камеры в дашюй модели, т.е. косвенно с размером слоя ионизации и ускорения. Полученные результаты показывают, что влияние длины колец, вплоть до размеров указанного слоя, в обычной модели М-100 незначительно. Результаты локальных измерений свидетельствуют о том, что переход к схеме СПД ПК в первом приближении не изменяет рабочий процесс в двигателе.

Исследова1шя влияния ширины РК в зоне электропроводящих стенок на характеристики двигателя подтвердили вывод, нолучешшй ранее при исследовании моделей СПД ПА, о том, что при уширении РК в приаиодной зоне происходит снижение смещения потенциала стенки относительно потенциала анода. Это, в свою очередь, приводит к снижению ионного и электронного токов па стенку, уменьшению на 5.. .8% разрядного тока и повышению эффективности двигателя.

Для проверки стабильности работы СПД ПК при загрязнении стенок РК были проведены 50-ти часовые испытания модели М-70ПК в «масляном» вакууме в течение 6-тн дней без изъятия модели из вакуумной камеры. При таком режиме работы в условиях экспериментального стенда на диэлектрических стенках РК СПД образуются достаточно плотные загрязняюнще покрытия, приводящие к значительному (на 10% и более) снижению эффективности двигателя. При работе М-70ПК в пределах точности измерения (-1%) изменения характеристик не наблюдалось.

По результатам проведенных работ были изготовлены лабораторные модели двигателей типа М-100ПК и М-70ПК. Испытания их в широком диапазоне разрядных напряжений ир 120...600В и расходов рабочего тела - ксенона (для М-70ПК ?иа«1...3мг/с, для М-100ПК 2...4мг/с) позволили получить уровень интегральных характеристик, соответствующий уровню характеристик лучших образцов СПД с диэлектрическими РК (рнс.5).

Рисунок 5. Сравнение характеристик традиционной модели СПД и СПД ПК

По результатам проведенных работ была создана модель СПД типа М-50ПК, которая послу-

29

жила прототипом двигателя КМ-45 производства ИЦ им. М.В. Келдыша.

На данной модели были проведены сравнительные испытания керамики БГП-10 и новой керамической композиции ВМ+81зК'4, рассмотренной в главе 3. Время работы двигателя составляло 50 часов. Разрушение керамического изолятора измерялось оптическим методом в шести сечениях и данные усреднялись. «Износ» керамики в выходном сечении РК составил в среднем 0,1мм. Для сравнения - результаты ресурсных испытаний двигателя КМ-45 с керамикой БГП-10 в аналогичных условиях работы - износ изолятора был 0,15...0,22мм. По результатам кратковременных испытаний можно констатировать, что применение повой керамики способно потенциально повысить время разрушения РК данной модели не менее чем в 1,2... 1,5 раза.

Таким образом, результаты исследований показывают, что возможно создание моделей СПД ПК, не уступающих по эффективности двигателям традиционной схемы и обладающих повышенной устойчивостью рабочего процесса к воздействию загрязняющих стенки РК покрытий. Это позволяет рассматривать схему СПД ПК в качестве основы для создания СПД ПКС. Применение новых керамических композиций вместо традиционного БГП-10 способно повысить время безотказной работы, а возможность изготовления относительно узких колец расширяет круг потенциальных материалов при снижении требований к конструкционной прочности. Кроме того, очевидные преимущества и технологичность РК предложенной схемы двигателя, по сравнению с традиционной, позволяют рекомендовать ее для использования при создании двигателя средней мощности. Конструктивная схема СПД ПК защищена авторским свидетельством на изобретение, патентом РФ и была использована при создании ряда моделей двигателей в ИЦ им. М.В. Келдыша.

В качестве дальнейшего развития схемы двигателя с проводящим каналом, позволяющим повысить фокусировку ионного потока и уровень интегральных характеристик, предлагается схема СПД с многосекциопным проводящим каналом - СПД ПКС.

Ожидаемые преимущества данной схемы следующие: возможность оптимизации процессов формирования продольного ускоряющего электрического поля за счет более гибкого управления потенциалами электропроводящих секций и, соответственно, распределением потенциала по длине кацапа разрядной камеры; снижение сквозного электронного тока; изготовление канала из электропроводящих материалов, в том числе из металлов, позволит снизить влияние вторичных эмиссионных процессов, а также повысить технологичность модели.

Основные требования, которым должна удовлетворять модель СПД ПКС, следующие: конструкция РК должна обеспечивать электрическую изоляцию между кольцами и проводящей стенкой в прианодной области, т.е. предотвращать образование электропроводящих пленок, по крайней мере, на части поверхности изоляторов, установленных между ними; в процессе работы двигателя не должно происходить изменения продольных размеров электропроводящих колец, что приводит к перестройке рабочего процесса, а при значительном изменении длины колец - к сни-

30

жению эффективности двигателя; на поверхностях стенок РК и анода ие должны образовываться легкоо гслаивающиеся пленки распыленного вещества электропроводящих колец в процессе длительной работы двигателя; материал электропроводящих колец должен обладать высокой термостойкостью и малым коэффициентом распыления под действием ионной бомбардировки. Для защиты торца электропроводящих колец, обращенных к аноду, от ионного распыления необходимо использовать керамические кольца специальной формы со щелевым промежутком и обеспечить радиальный зазор между кольцом и керамикой.

Сравнительные исследования тяговых характеристик модели М-70ПКС с типовым двигателем проводились при разрядных напряжениях 6^=120...400В и расходе ксенона в анод /»0=2,3...4мг/е. Полученные интегральные характеристики (см. рис. 6) свидетельствуют о возрастании тягового к.п.д. и снижении цены тяги во веем диапазоне разрядных напряжений.

При исследоватпга структуры ионного тока было выявлено, что суммарный ионный ток па выходе из двигателей в пределах точности измерений пе изменяется. Это подтверждает вывод о том, что снижение разрядного тока в модели М-70ПКС обусловлено уменьшением «сквозного» электронного тока. Увеличение среднего косинуса угла расходимости ионного потока до 0,97 в модели М-70ПКС (0,93 для М-70) свидетельствует об улучшении фокусировки, причиной которой может быть сужение слоя ионизации и ускорения (измерения проводились в 20мм от срезаРК).

С учетом проведенных исследований бьи разработан прототип модуля СПД мощностью ~1кВт (М-80ПКС) с 1рафитовыми кольцами и проведены его испытания в условиях «масляного вакуума» без вскрытия камеры сериями по 5 часов. За время эксперимента не было зафиксировано существенного изменения уровня характеристик. Но завершению 50 часовых испытаний относительная величина массового уноса материала внутреннего кольца составила 0,27%. Исходя из этого, можно прогнозировать, что для времени работы порядка 2000 часов унос материала колец РК не превысит 10%.

Схема СПД ПКС была запатентована как в нашей стране, так и за рубежом. Результаты данных исследований использовались в ОКБ «Факел» при разработке модели СПД-1 ООН.

Полученные результаты были проверены на оригинальных моделях двигателя средней мощности типа М-180 (до 12кВт) собственной разработки. Интегральные характеристики модели М-180 и М-180ПК соответствуют современному уровню, достигнутому для СПД (см.рис.7). Интегральные характеристики модели М-180ПКС так же, как в моделях меньших размеров, несколько выше аналогичных характеристик моделей М-180 и М-180ПК. Двигатель обладает достаточно высокой эффективностью в диапазоне расходов рабочего тела (ксенона) ~(6... 18)мг/с.

Рисунок 7. Характеристики М-180ПК

Для оценки длительной работоспособности данной модели М-180ПКС с графитовыми кольцами были 1гроведены 30-часовые испытания ее при следующих параметрах рабочего режима: разрядное напряжение ~ЗООВ, мощность ~5кВт. Скорость распыления колец оценивалась взвешиванием и измерением их размеров до и после эксперимента. Наибольшего значения она достигла в районе среза внутреннего кольца и равнялась ~(1,5...2)10"3мм/ч, что на порядок ниже скорости распыления керамики БГП-10 в аналогичных условиях. Следует также отметить, что на протяжении всего эксперимента отклонение характеристик двигателя на выбранном режиме не превышало ~1...1,5%, что еще раз подтверждает высокую стабильность работы двигателей с электропроводящими стенками разряд ной камеры.

В результате выполненных работ удалось создать достаточно эффективные экспериментальные образцы СПД средней мощности (от 1кВт до 10,..12кВт). Эти модели были рекомендованы в ОКБ «Факел» для использования в качестве прототипов при разработке перспективного широкодиапазонного модуля СПД типа СПД-200.

На основании проведенных работ были выработаны основные рекомендации по проектированию моделей СПД с управляемым взаимодействием плазмы со стенками разрядной камеры. Они сводятся к следующим:

- электропроводящие части камер моделей двигателей следует выполнять электрически изолированными от остальных элементов конструкции и экранировать их в приаподной области от контакт с внешней плазмой при помощи диэлектрических элементов или электроэлектропроводящих обечаек;

- выходные торцы РК, как и в моделях традиционной схемы, должны располагаться в области максимальных значений индукции магнитного поля (ВГ(У=(0,96...0,98) Вг(:)таху,

- протяженность диэлектрических (для СПД ПК) и электропроводящих (для СПД ИКС) колец может быть выбрана равной толщине слоя ионизации и ускорения;

- ширина РК в прианодной зоне должна выбираться максимально возможной то конструктивных соображений;

- при разработке СПД ПК и СПД ПКС приемлемы основные конструктивные и схемные решения элементов, отработанных, в частности, для магнитных систем традиционных СПД;

- обращенные к аноду кромки электропроводящих колец должны бьггь защищены высгупающими внутрь РК буртиками изоляторов;

- между электропроводящими элементами РК и диэлектриком, с целью повышешш надежности изоляции, должны выполняться пазы, донная часть которых защищена от напыления.

В пятой главе рассмотрены прикладные вопросы, способствующие более широкому распространению СПД в космической технике и в наземных технологиях.

С учетом перспективы роста числа запусков КА и расширением крута задач с использованием СПД на ближайшие десять-пятпадцать лет рассмотрена возможность использования альтернативных традиционно используемому в СПД газу - ксенону рабочих тел. Были проанализирована возможность применения газов: аргона, криптона, кислорода, а также йода. Оценки показали, что переход на более легкие рабочие тела будет приводить к возрастанию разрядного тока, что и было продемонстрировано в экспериментах. По результатам анализа выработаны следующие рекомендации. Из всех рассмотренных газов наиболее перспективам можно считать аргон. Стоимость его производства низка и оп относительно широко распространен на Земле. Это делает возможным его использование особенно для маршевых двигательных установок (ДУ). Меньшая масса, чем у ксенона, позволит повысить удельный импульс двигателя. Но вместе с тем, экспериментальные данные показывают, что без существенной модернизации современньи моделей двигателей переход на аргон будег приводить к резкому снижению эффективности СПД. Кроме того, потребуется существенная модернизация систем хранения и подачи РТ. Использование криптона в качестве РТ показало, что характеристики двигателя меняются незначительно и его можно использовать для отработки изделий, однако незначительность его запасов не позволяет рекомендовать его для широкого использования. Что касается кислорода и йода, то использование данных тел

мотивируется только их широким распространением и способами храпения, но потребует существенной модернизации испытательной базы.

Одним из факторов, ограничивающих применения СПД в составе ДУ КА, является существенная расходимость ионного потока на выходе из двигателя. Это вызывает определенные трудности при размещении СПД на летательном аппарате, особенно малых размеров. Ускоренные ионы струи могут взаимодействовать с функциональными поверхностями, вызывая изменение их свойств и приводя к разрушешио конструкций. Расходимость ионного потока в СПД определяется особенностями рабочего процесса. «Конус вылета» ионов формируется во многом геометрией стенок ускорительного канала. Иными словами, стенки работают как диафрагмы, формируя струю ионов. Для оценки уровня расходимости струй введен параметр Paps - полуугол, в котором осуществляется вылет 95% ускоренных ионов. Возможны два пути повышения фокусировки ионной струи: уменьшение кривизны эквипотенциалей и изменение геометрии стенок канала или даже установка дополнительных диафрагмирующих насадок. Первый случай реализован в схеме СПД с электропроводящими элементами стенок РК и рассмотрен в четвертой главе. При этом за счет изменения параметров взаимодействия плазмы со стенкой происходит сужение зоны основного падения потенциала и повышение фокусировки ионного потока. Так удалось снизить полуугол расходимости 95 с 45 до 36...38° для моделей типоразмеров М-70 и М-100, Другим путем повышения фокусировки ионного потока является установка дополнительных диафрагм. Они могут иметь вид как кольцевых структур, так и сегментных экрапов, защищающих отдельные элементы конструкции КА. Однако в обоих случаях mi имеем потери ионов и, тем самым, снижение эффекгивно-сти двигателя. Более удачным является схема двигателя с навесной магнитной системой (IIMC). Снижение расходимости ионного потока в ней достигается путем поджатая наружной границы ускоряющего слоя п изменения конфигурации эквипотенциалей электрического поля на выходе двигателя. В результате работы системы плотность ионного тока на расстоянии 500мм от среза двигателя возрастает в 2.5 раза. Оценка показывает, что включение НМС позволяет уменьшить расходимость пучка - Д.95 до 27° по сравненшо с базовой моделью М-70, для которой в аналогичных условиях измерения этот параметр равен 35°. Снижение расходимости пучка составило ~20%. При этом наблюдается практическое отсутствие влияния на параметры рабочего режима двигателя, а затраты на создание дополнительного магнитного поля не превышают 1...2% от мощности разряда в двигателе. Схему НМС также можно рассматривать как одну из достаточно эффективных систем для применения в составе установок ионно-плазмешюй технологии.

Также рассмотрен и вопрос об использовании плазменных линз для управления потоком СПД. Эксперименты показали принципиальную возможность фокусировки потока двигателя (при использовании катушки диаметром 300мм, установленной на рассттонши 270мм от среза модели М-100). Однако затраты для обеспечения фокусировки были достаточно велики (до 900Вт). Ана-

34

лиз показал, что основные потери были связаны с большим током на фокусирующий электрод. Были проведены специальные исследования распределения поля внутри плазменной линзы. Результаты измерений показали, что напряженность электрического поля на оси составляет 0,3-103В/м, а на периферии она возрастает до 1,4Т03В/м. Условие зквипотенциализации магнитных силовых линий выполняется только вблизи корпуса катушки. Распределите поля изменяется с ростом энергии ионов в потоке. Измерения плотности тока показали, что с ростом средней энергии изменения происходят только в приэлектродной области. Зафиксированное изменение ионного тока составило не более 5%, что свидетельствует о практическом отсутствии рскомбинацион-ных и ионизационных процессов в объеме плазменной линзы. С ростом электрического поля ток па фокусирующий электрод уменьшается. Анализ движения ионов в плазменной линзе показал, что отклоне1ше потока происходит лишь в прюлектродной области. Максимальный угол для данной конфигурации составляет -15...20° (при 800 ампер-витках в катушке и потенциале фокусирующего электрода 90В). Кроме того, фокусное расстояние оказалось значительно больше, чем заявленное в классических работах. Заметного влияние работы плазменной линзы на интегральные характеристики двигателя отмечено не было. Было продемонстрировано отклонение ионного потока в заданном направлении при использовании секционирования фокусирующего электрода с заданием на противоположных секциях потешщала с разным знаком (до 90В). Максимальный утлы отклонения достигал 17" (для 60В) и уменьшался с ростом энергии ионов до 5° (для Ор=ЗООВ) при этом энергозатраты составили 45...80Вт/градус. На основании полученных данных, очевидно не целесообразно рекомендовать для космического применения управление потоком СПД с помощью плазменных линз. Но дня процессов ионно-плазменной технологии данные системы вполне подходят. Возможна организация сканирования максимумом плотности ионного тока по заданной поверхности. Данное устройство было опробовано в работе и защищено авторским свидетельством.

В разделе 5.3 приводятся результаты исследований по определению потоков продуктов распыления керамики СПД и их возможного осаждения на элементах КА. Предполагается, что при использовании предложенных в главе 3 керамик можно ожидать увеличения потоков легкокон-денсирующихся продуктов распыления, которые могут негативно отразиться на функционировании космического аппарата В связи с этим была поставлена задача рассмотреть возможное загрязняющее воздействие от двигателя. Для этого необходимо измерить потоки продуктов распыления в струе и оценить примерный состав продуктов распыления. Потоки массы продуктов распыления на расстоянии 1м от среза СПД составляют ~Ю'10г/см2с. Измерение столь малых потоков на фоне интенсивных потоков ионов, от двигателя и потоков частиц распыления стенок вакуумной камеры является весьма сложной задачей, требующей серьезной методической проработки. Для измерения потоков продуктов распыления был использован метод, основанный на «вморажива-

35

нии» частиц в матрицу осаждаемого на подложке металла (медь, золото) с последующим анализом методом ЮР состава образовавшейся пленки. Эксперименты в струе СПД-70 позволили получить информацию о пространственном распределении частиц распыления. Результаты обработки показали, что потоки регистрируемых частиц распыления уменьшаются с ростом раскрытия струи. Плотность потока на расстоянии 500мм на угле 57° составляет ~2-10и[(см1с)"1] и уменьшается до ~4-Ю"[(см2с)'1] на угле 77°. Определены области, где потоки осаждения превалируют над потоками распыления. Анализ получающихся покрытий показал, что в них присутствуют все элементы из состава керамики. Наиболее критичным можно выделить осаждение бора, поскольку такие покрытия могут приводить к изменению оптических свойств поверхностей КА.

Приводятся результаты разработки и внедрения источников ионов на базе СПД для использования в различных технологических процессах. Показано, что в ряде задач (ионная очистка поверхности, ионное ассистирование, ионный опкиг) применение ускорителей на базе СПД оправдано и дает выигрыш по сравнению с другими системами генерации высоэнеретичных потоков частиц. Вместе с тем ряд недостатков СПД, таких как существенная неоднородность ионного потока, возможное наличие в струе загрязнений, сдерживает его широкое применение в технологических процессах. Результаты создания и внедрения технологических устройств на базе СПД за период с 1982 г. по настоящее время защищены патентами и авторскими свидетельствами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны и исследованы новые конструктивные схемы разрядных камер СПД с контролируемым взаимодействием плазмы со стенками, позволяющие повысить уровень характеристик двигателя. Продемонстрировано, что в диапазоне мощностей двигателя от 300Вт до 12кВт предложешгые схемы камер повышают фокусировку ионного потока (средний косинус угла расходимости ионного потока увеличивается с 0,93 для стандартных моделей до 0,97) с одновременным повышением тягового к.п.д. на ~7...10%. Предложенные схемы разрядных камер позволяют упростить изготовления двигателей повышенной мощности. Технические решения запатентованы и внедрены в промышленность.

2. Разработан метод выбора керамик, обладающих повышенной стойкостью к ионному распылению, учитывающий состав и структуру материала, а также особенности его разрушения в условиях рабочего процесса в СПД.

3. Экспериментально получено, что керамика на основе комбинации нитрида бора и нитрида кремния при испытаниях в разрядной камере СПД обладает повышенной стойкостью к ионному распылению, что позволяет оценивать увеличение времени до разрушения камеры в 1,2. ..1,5 раза (по сравнению с широко применяемой керамикой типа БГТ1-10) при сохранении уровня интегральных характеристик двигателя

4. Уточнена причина возникновения и развития «аномальной» эрозии кромок традиционной керамической разрядной камеры СПД.

5. На основании экспериментальных и теоретических исследований усовершенствована методика проведения модельных испытаний по определению коэффициентов распыления керамик, учитывающая факторы температуры и углов взаимодействия ионов с поверхностью, определяющих особенности разрушешгя материалов в условиях рабочего процесса в СПД,

6. Разработана и апробирована поэтапная методика испытаний двигателя, позволяющая в несколько раз сократить затраты экспериментального времени па обоснование ресурса разрядной камеры СПД.

7. Разработаны специализированное оборудование и методики, снижающие ошибки измерений при испытаниях СПД. Созданы и внедрены в производство тягоизмерительные устройства, обеспечивающие стабильность регистрации усилия при длительной работе СПД и обладающие точностью от 2,8 до 0,2% (соответственно, для минимального диапазона измерения - 1мН и для диапазона - 200мН), что превышает в 1,5... 10 раз точность базовых устройств. Использование при анализе результатов длительных испытаний СПД метода оценки, основанного на применении алгоритмов оптимальной фильтрации Калмана, повышает точность идентификации тяги на 25% по сравнению с традиционно использующимися методиками.

8. Создана на базе СПД и внедрена в промышленность серия технологических устройств для осуществления процессов модификации поверхности.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Хартов С.А. Результаты моделирования процесса взаимодействия ионных пучков с поверхностью// Физика и техника плазмешгых устройств. — М.: МАИ, 1985. - с. 55-58.

2. Хартов С.А. Исследование работы УЗДП с металлическими стенками разрядной камеры // Генераторы и ускорители низкотемпературной плазмы. - М.: МАИ, 1986. - с. 26-29.

3. A.c. 298352 СССР, МПК7 Н05Н1/54, F03H1/00. Ускоритель с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения / Б.А. Архипов, Ю.М. Горбачев, В.В. Егоров, В. Ким, К.Н. Ко-зубский, H.A. Масленников, Д.Д. Севрук, С.А. Хартов (СССР). - Заявл. 12.12.1986.

4. Латышев Л.А., Соколоперов А.П., Харгов С.А., Чуян Р.К. Поэтапная методика испытаний ускорителей с замкнутым дрейфом электронов // Ракетно-космическая техника, вып. 3 (131). -М.:НИИТП, 1991.-е. 71-79.

5. A.c. 1715182 СССР, МПК7 H05H1/I6, 51/54. Устройство для управления компенсированным ионным потоком / A.B. Королев, С.А. Хартов (СССР). - Заявл. 15.03.1990.

6. Arkhipov ß.A., Bishaev A.M., Khartov S.A., et al. Mechanism of the mostly stressed SPT elements wear and possibilities of high SPT lifetime insurance II Proc. of 18tli International Symposium on

37

Space Technology and Science (1STS) Conference, 17-23 May 1992, Kagoshima, Japan.

7. Л.с. 1819111 СССР, МПК7 H05H1/S4, F03H1/00. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов I В.В. Егоров, В.М. Гаврюнин, В. Ким, В.И. Козлов, Л.Л. Латышев, С.А. Хар-тов (СССР). -Заявл. 22.06.1990.

8. Andrianov S.S., Khartov S.A., Latyshev L.A. Adaptation approach in multiparametric study of electrostatic device characteristics // Proc. ofll German-Russian conference "Electric propulsion engines and their technical applications", Russia, Moscow, July 16-21,1993. - M.: MAI, 1993, p. 71.

9. Arkhipov B.A., Gavryushin V.M., Khartov S.A., et al. Development and investigation of characteristics of increased power SPT models. IEPC-93-222II Proc. of 23rd International Electric Propulsion Conference, 19-23 Sept., 1993, Seattle, USA.

10. Colbert T., Gavrushin V.M., Khartov S.A., et al. Perspectives of small SPT development and application // Proc. of Spacecraft Propulsion International Conference, 8-10 Nov. 1994, Toulouse Labege, France.

11. Valentian D., Khartov S., Tchuyan R., et al. The investigation of the temperature field in the SPT structure elements. IEPC-95-174 // Proc. of 24th International Electric Propulsion Conference, 19-23 Sept. 1995, Moscow, Russia.

12. Day M., Colbert T., Egorov V.V, Khartov S.A., et al. Investigation of the SPT performance improvement possibilities. IEPC-95-45 // Proc. of 24л International Electric Propulsion Conference, 19-23 Sept. 1995, Moscow, Russia.

13. Khartov S.A., Jakupov A.B., Latyshev L.A. The possibility of nearanode process controlling for perspective SPT models. IEPC-95-48 // Proc. of 24й International Electric Propulsion Conference, 1923 Sept. 1995, Moscow, Russia.

14. Marrese C., Gallimore A., Khartov S. An investigation of SIT performance with krypton propellent. AIAA 95-2932 // Proc. of 31th Joint Propulsion Conference, 6-9 Oct. 1995, San Diego, USA.

15. Гниздор Р.Ю., Латышев Л. А., Хартов С.А. и др. Применение методов оптимальной фильтрации для идентификации параметров электроракетных двигателей // Изв. вузов. Авиационная техника. - 1997, №3.-с. 97-101.

16. Avdeenko N.V. Khartov S.A., Tchyan R.K., et al. Mathematical model of charged and neutral particle's flows in and out of the stationary plasma thruster's acceleration channel cut // Proc. of Second European Spacecraft Propulsion Conference, 27-29 May 1997, Noordwijk, The Netherlands.

17. Bishaev A.M., Kalashnikov V.K., Khartov S.A., et al. The simulation of the sputtered particle dynamics in the SPT plume II Proc. of Second European Spacecraft Propulsion Conference, 27-29 May 1997, Noordwijk, The Netherlands.

18. BelikovM.V.. Gorshkov O.A., Khartov S.A., et al. Experimental research of SPT low-power perspective model. AIAA-98-3786 // Proc. of 34"' Joint Propulsion Conference, 12-15 July 1998,

38

Cleveland, USA.

19. Пат. 2108692 Российская Федерация, МПК7 Н05Н1/54, F03H1/00. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов / Архипов Б.А., Егоров В.В., Ким В., Козлов В.И., Масленников Н.Л., Хартов С.А. (РФ) - заявл. 09.03.96; опубл. 10.04.1998, Бюл. №10.

20. Belikov M.V., Gorslikov О.А., Khartov S.A., et al. Hall-type low- and mean-power thrusters output parameters. А1ЛА-99-2571 // Proc. of 35th Joint Propulsion Conference, 20-24 June 1999, Los-Angeles, USA.

21. Пат. 2139646 Российская Федерация, МПК71105H1/54, F03H1/00. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов / Жакупов А.Б., Горшков О.А., Ризаханов Р.Н., Хартов С.А. (РФ) - заявл. 07.04.1998; опубл. 10.10.1999.

22. Латышев J1.А., Рыбников С.И., Хартов С.А. Идентификация двигателей по их многопараметрическим измерениям // Сб. тез. 5-ой Всероссийской конференции «Состояние и проблемы технических измерений», 24-26 ноября 1999, Москва, Россия.

23. Khartov S., Napolov D., Perfilicv A., Zikeeva Yu. Experimental investigation of the alternative propellants for Stationary Plasma Thruster // Proc. of 3rd International Conference on Spacecraft Propulsion. Cannes, 10-13 Oct. 2000, ESA SP-465, December 2000, pp. 833-836.

24. Khartov S.A., Latyshev L.A., Zakupov A.B. Hall thruster with sectioned conducting channel // Proc. of 3rd International Conference on Spacecraft Propulsion. Cannes, 10-13 Octobcr 2000, ESA SP-46,5, December 2000, pp. 827-828.

25. Пат. 2163309 Российская Федерация, МПК7 Н05Н1/54, F03H1/00. Устройство концентрации пучка ионов для плазменного двигателя и плазменный двигатель, оборудованный таким устройством / Латышев Л.А., Якубов A.M., Якупов А. Б., Хартов С.А. (РФ), Валентиан Д. (Фр). -заявл. 23.05.1997; опубл. 20.02.2001.

26. Khartov S., Nadiradze A., Duchemin О. SPT ceramic isolator surfaced layer composition change with lifetime. IEPC 2003-59 // Proc. of 28th International Electric Propulsion Conference IEPC-2003, 1721 March 2003, Toulouse, France.

27. Khartov S.A., Perfiliev A.B. Investigation of different schemes of gas distribution in SPT channel. IEPC-2003-58 // Proc. of 2801 International Electric Propulsion Conference, 17-21 March 2003, Toulouse, France.

28. Khartov S.A., Nadiradze А.В., Shkarban I.I., Zikeeva Y.V. SPT's high lifetime - some problems of solution^ IEPC-2005-62 // Proc. of 29"" International Electric Propulsion Conference, 31 Oct. - 4 Nov. 2005, Princeton University, USA.

29. Grigorian V.G., Goncharov I..A., Khartov S.A. Line of ion sources for research and industrial applications // Proc. of 11th Joint Vacuum Conference (JVC-11), 24-28 Sept. 2006, Prague, Czech Republic.

30. Григории В.Г., Гончаров Л.Л., Хартов С.А. Источники ионов для ианотехнологий // Сб. трудов V Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 38-30 апреля 2008]-., Санкт-Петербург. -Спб.: Издательство политех, института, 2008. -том 12. - с. 173-174.

31. Надирадзе А.Б., Хартов С.А., Шапошников В.В. Исследования особенностей процесса ионной эрозии в стационарном плазменном двигателе // Вестник Московского авиациошюго института.-2008.-том 15, №3,-с. 25-34.

32. Торопов Г.П., Хартов С.А. Математическая модель распространения струи плазменного ускорителя в объеме вакуумной камеры // Вестник Московского авиациошюго института. - 2008. -том 15, №4.-с. 25-34.

33. Еловиков С.С., Надирадзе А.Б., Хартов С.А., Шкарбан И.И. Особенности процесса распыления керамических материалов при работе стационарного плазменного двигателя // Космонавтика и ракетостроение. - 2008. - том 52, №3. - с. 91-96.

34. Переславцев А.А., Торопов Г.П., Хартов С.А. Исследования процесса переноса электронов в прикатодной области разряда стационарного плазменного двигателя // Космонавтика и ракетостроение. - 2008. - том 52, №3. - с. 84-90.

35. Хартов С.А., Шкарбан И.И. Исследование перспективных керамических материалов разрядных камер стационарных плазменных двигателей // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2008, №4. -с. 25-28.

36. Еловиков С.С., Юрасова В.Е., Рыжов Ю.А., Хартов С.А. и др. Электронно-стимулированные процессы в керамиках на основе нитрида бора // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследоваття. — 2008, № 11. — с. 20-31.

37. Надирадзе А.Б., Хартов С.А. Моделирование процесса распыления керамического изолятора стационарного плазменного двигателя // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2009, №1. - с. 3235.

38. Гуськов К.В., Хартов С.А. Система измерения расхода газообразного рабочего тела для испытаний электроракетных двигателей // Вестник Московского авиационного института. - 2009. -том 16, №3,-с. 41-48.

39. Arkhipov A.S., Khartov S.A., Kim V., et al. Analysis of energy balance in the discharge of SPT using results of its integral parameters and plume characteristics measurements. IEPC-2009-097 // Proc. of 31st International Electric Propulsion Conference, 20-24 Sept. 2009, Ann Arbor, Michigan, USA.

40. United States Patent Ко. 5,218,271, Int. CI. H05M 001/54. Plasma accelerator with closed electron drift / Egorov V.V., Gavryushin V.M., Khartov S.A., Kim V., Kozlov V.I., Latyshev L.A. - dated June 8 1993.

41. United States Patent No. 5,892,329, Int. CI. H05J 41/12. Plasma accelerator with closed electron drift

40

and conductive inserts / Arkhipov B.A, Egorov V.V., Khartov S.A., Kim V., Kozlov V.I., Maslennikov N. A. - dated Apr. 6 1999.

42. EI3 0541 309 Bl, Int. CI. H05H 1/54. Plasma accelerator with closed electron drift and conductive inserts / Arkhipov B.A, Egorov V.V., Khartov S.A., K.im V., Kozlov V.I., Maslennikov N.A. -granted 17.01.1996.

43. United States Patent No. 6,158,209, Int. CI. HOSM^. 001/00. Device for conccntrating ion beam for hydromagnetic propulsion means and hydromagnetic propulsion means equipped with the same / Valentign D., lakuboV AM-. Khartov S.A., Latishev L.A., Jacpupov A.B. - dated Dec. 12 2000.

Множительный центр МАИ (ГТУ) Заказ от О & /Q 2010 г. Тираж ¿>S~3кз.