Экспериментальное исследование взаимодействия плазмы с керамиками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

□□3478056

на правах рукописи

Абашкин Владимир Викторович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЫ С КЕРАМИКАМИ

01.04.08 - Физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

- 1 ОНТ 2009

Москва, 2009 г.

003478056

Работа выполнена в федеральном государственном унитарном предприятии "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша"

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Горшков Олег Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор Койдан Василий Семенович

кандидат технических наук, профессор

Шкарбан Игорь Иванович

Ведущая организация: Московский государственный

университет

Защита диссертации состоится « О^^ » 2009

года в заседании диссертационного совета

Д 212.156.08 при Московском физико-техническом институте по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., д.9.

Отзывы направлять по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9, МФТИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института (государственного

университета).

Автореферат разослан «_

2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета 1 В.П. Коновалов

к.ф.-м.н., доценг

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена взаимодействию плазмы с керамиками, применяющимися для изготовления стенок разрядных камер стационарных плазменных двигателей (СПД).

Актуальность работы

Современные тенденции в развитии космических аппаратов выдвигают новые требования к двигателям коррекции орбиты по удельному импульсу (свыше 1800 с) и ресурсу (5... 10 тыс. часов). Перспективными с этой точки зрения являются СПД. В СПД ионы, создающие тягу, ускоряются в скрещенных электрическом и магнитном полях в объеме, ограниченном коаксиальными цилиндрическими стенками в радиальном направлении и кольцевым анодом - с одной из сторон по оси. Через отверстия в аноде подается рабочее тело, как правило, ксенон. Разность потенциалов прикладывается между анодом и катодом-компенсатором, расположенным снаружи двигателя.

Опыт, накопленный при отработке СПД, как в России, так и за рубежом, показывает, что одной из основных причин, ограничивающих их ресурс, является эрозия стенок разрядного канала, которая происходит в результате воздействия плазмы.

Все лётные модели СПД до настоящего времени _ функционировали с напряжением разряда до 350 В и их конструкция была оптимизирована под этот режим работы. Для того, чтобы повысить удельный импульс до 2000 с и выше при работе на ксеноне необходимо поднимать напряжение разряда до 500 В и более. Изменение физических процессов в канале СПД, вызванное повышением напряжения, приводит к сокращению ресурса двигателя и деградации его удельного импульса. Одним из методов борьбы с этими негативными явлениями является применение в составе стенок разрядного канала материалов с повышенной стойкостью к ионному распылению. В качестве материалов, более стойких к распылению по сравнению с применяемыми ранее керамиками БГП-10 (60% BN, 40% Si02) и АБН (50% BN, 50% A1N), рассматриваются керамики с высоким массовым содержанием гексагонального нитрида бора (h-BN). Однако для создания летных образцов СПД требуется исследовать стойкость к эрозионному воздействию плазмы существующих керамик отечественных производителей как в струе СПД, так и в составе стенок разрядного канала. Также необходимо определить зависимость выходных и ресурсных характеристик СПД от материала стенки. Важно знать - как меняются механические свойства

керамики в зависимости от химического состава, способа изготовления, финальной обработки деталей?

Цель работы состоит в экспериментальном исследовании процессов распыления стенок разрядного канала СПД с высоким удельным импульсом (выше 1800 с) и модификации свойств керамик в результате воздействия плазмой СПД и электронного пучка; в выделении физических механизмов влияния материала стенки на горение разряда в СПД.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Исследовать энергетические и угловые зависимости коэффициента объемного распыления перспективных керамических композитов ионами ксенона, для чего необходимо создать устройство по измерению объемного коэффициента распыления в плазменной струе СПД.

2. Исследовать локальные параметры плазмы СПД в пристеночной области канала и скорости уноса керамики стенок для выяснения условий их распыления в двигателе при работе на режимах с высоким удельным импульсом (свыше 1800 с).

3. Исследовать механизмы влияния состава поверхности стенки и ее рельефа на условия работы СПД для выяснения особенностей процессов переноса заряженных частиц в двигателях с разными материалами стенок разрядного канала.

4. Провести экспериментальные исследования по определению зависимости рабочих параметров СПД от свойств материала стенки для широкого спектра перспективных керамик.

5. Исследовать влияние воздействия плазмы СПД и плазмы концентрированного электронного пучка при атмосферном давлении на изменение механических свойств материала и микрорельефа поверхности.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Измерены зависимости коэффициента объемного распыления от энергии и угла падения бомбардирующих ионов Хе+ для материалов БГП-10 и В>1-05 для ускоряющих напряжений холловского источника ионов 325 эВ и 500 эВ и углов 0-70°. Показано, что для исследованного диапазона энергий и углов значения коэффициентов распыления ВЫ-05 в 1,5-2 раза ниже, чем для БГП-10.

2. Экспериментально показана зависимость осевого положения зоны максимума электронной температуры и электрического поля от

коэффициента вторичной электрон-электронной эмиссии материала (ВЭЭЭ) стенки разрядного канала СПД. Данная зависимость подтверждена результатами численного моделирования.

3. Обнаружены ранее неизвестные элементы структур «нормальной» и «аномальной» эрозии на стенках из БГП-10, имеющие форму игл с диаметром 50-600 нм и длиной 100-1500 нм. Игольчатая структура занимает от 10 до 30% поверхности стенок разрядного канала СПД, прошедших ресурс 200-500 часов. По результатам аналитических оценок и численного моделирования показано, что возникновение таких игл ведет к затруднению эмиссии вторичных электронов со стенки.

Достоверность полученных результатов подтверждается путем анализа погрешностей измерений, сопоставлением данных, полученных различными экспериментальными способами, сравнением полученных данных с данными других авторов и результатами численного моделирования.

Практическая ценность результатов данной работы заключается в следующем:

1. Разработано и испытано устройство для измерения коэффициента объемного распыления керамик, позволяющее за один запуск одновременно подвергнуть воздействию плазмы до 7 образцов с различной ориентацией поверхности по отношению к направлению плазменного потока, при постоянном контроле плотности ионного тока цилиндром Фарадея и эффективной коллимации данного потока.

2. Полученные зависимости коэффициента объемного распыления от угла падения ионов позволили повысить достоверность методик предсказания ресурса по результатам укороченных ресурсных испытаний.

3. Показано, что обработка поверхности керамики ВЫ-05 плазмой струи СПД в вакууме или плазмой концентрированного электронного пучка в атмосфере ведет к повышению микротвердости образца, его предела прочности на изгиб в трех точках.

На защиту выносятся:

1. Методика измерения коэффициента объемного распыления керамики в струе СПД, устройство, изготовленное для реализации данной методики, и результаты, полученные на этой установке для материалов ВШ)5 и БГП-10.

2. Результаты сравнительных измерений параметров плазмы СПД со стенками из БГП-10 и BN-05, полученные с помощью зондов Ленгмюра.

3. Результаты исследований микрорельефа стенок разрядного канала двигателей, работающих при различных значениях мощности и удельного импульса, полученные с помощью оптической и электронной микроскопии.

Апробация работы и научные публикации.

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на 50'™ Международном астронавтическом конгрессе в 1999 г.; Весенних Встречах Европейского Материаловедческого общества в 2002 и 2004 годах; Межотраслевом научно-техническом семинаре-конференции «Радиационные технологии и установки» в 2004 г.; 30"ои Международной конференции по электроракетным двигателям в 2007 г.; Научно-технической конференции - конкурсе молодых ученых, посвященной 75-летию ФГУП «Центр Келдыша» (работа отмечена дипломом второй степени) в 2008 г.; 18"ои научно-технической конференции молодых ученых и специалистов РКК «Энергия» в 2008 г. (работы отмечены дипломом второй степени и почетной грамотой); 3"еи Европейской конференции по аэрокосмическим наукам в 2009 г.; 19'0И Международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью в 2009 г.; научных семинарах Центра Келдыша. Основное содержание и результаты диссертации отражены в 5"™ статьях в реферируемых журналах и 5"™ статьях, вошедших в сборники трудов различных конференций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 3"х глав и заключения, содержит 170 машинописных листов, включающих 87 рисунков, 17 таблиц и список используемой литературы из 123 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, кратко излагается содержание диссертации по главам.

Первая глава диссертации содержит обзор современного состояния исследований в области взаимодействия плазмы с керамиками, применяемыми в качестве материала для изготовления стенок разрядного канала СПД.

Рассмотрены такие процессы распыления керамики плазмой как распыление ионной бомбардировкой и эрозия под воздействием высокоэнергетичных электронов. В результате обобщения имеющихся данных принимается, что при энергиях ионов Хе+ менее 1000 эВ, характерных для современных СПД, распыление стенок происходит по сценарию парных взаимодействий и каскадного распыления, а вероятность распыления стенки под воздействием электронной компоненты с характерной температурой до 100 эВ невелика. Рассмотрены результаты распыления различных материалов потоком ионов, полученные к настоящему моменту на различных измерительных установках другими авторами. По результатам рассмотренных работ утверждается, что наиболее стойкими к распылению ионами Хе+ с энергией до 1000 эВ являются керамики с высоким содержанием карбида бора и нитрида бора (отечественные марки БНГП-8, BN-05, COO, BN-90).

Проанализированы имеющиеся данные по влиянию свойств материала стенки на выходные характеристики СПД. Отмечено, что по результатам экспериментальных и расчетно-теоретических работ основными факторами, определяющими это влияние для керамических материалов, являются коэффициент ВЭЭЭ и рельеф поверхности, изменяющие условия транспорта электронной компоненты плазмы согласно теории «пристеночной проводимости». Рассмотрены имеющиеся работы по измерению коэффициента ВЭЭЭ для керамик и металлов. Указаны достоинства и недостатки некоторых существующих экспериментальных установок, применявшихся при исследовании керамик, предназначенных для использования в СПД.

Обобщены результаты экспериментальных и расчетных исследований распыления стенок разрядного канала СПД. Рассмотрены экспериментальные, полуэмпирические и расчетные модели этих процессов. Указаны физические величины, требующие уточнения для повышения точности этих моделей, а также упрощения, ведущие к понижению точности результатов.

Вторая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям влияния свойств материала стенки на выходные характеристики и ресурс СПД. В экспериментах использовалась лабораторная модель двигателя, рассчитанного на работу при мощности 900 Вт и напряжении разряда 500 В. Удельный импульс двигателя в начальный момент времени составляет не менее 1950 с. Двигатель прошел ресурсные испытания длительностью 500 часов со стенками разрядного канала из БГП-10 и BN-05.

В первые 70-80 часов работы внутренняя стенка разрядного канала из BN-05 распылялась медленнее, чем из БГП-10. Однако после 100110 часов работы скорости распыления сравнялись, и стенка из БГП-10

продолжала распыляться медленнее, чем из ВМ-05. Сходная картина наблюдалась на наружной стенке, где стенки из БГП-10 и ВМ-05 распылялись одинаково в течении ~250 часов, затем стенка из БГП-10 начала распыляться медленнее. При этом на обоих материалах по мере выработки ресурса граница зоны эрозии медленно смещалась к аноду, а выработка ресурса внутренней стенки была выше, чем наружной. Прогноз ресурса по результатам 500 часовых ресурсных испытаний составил приблизительно 3000 часов, как для БГП-10, так и для ВМ-05. Для обоих материалов основным ограничением ресурса стала выработка внутренней стенки разрядного канала.

По результатам сравнительных 500 часовых ресурсных испытаний установлено, что осредненная по времени величина удельного импульса для СПД с керамикой из ВМ-05 на 100 с выше, чем для СПД с керамикой из БГП-10.

Таким образом, в ходе исследований оказалось невозможным достичь увеличения ресурса СПД только применением более стойкого к ионной бомбардировке материала. Были предложены два возможных подхода к объяснению данного явления:

1. Коэффициенты объемного распыления керамик, использованных для изготовления стенок разрядного канала СПД, близки по абсолютным значениям, что может быть вызвано:

a. особенностями технологии изготовления ВМ-05, которые, возможно, ведут к снижению коэффициента распыления;

b. формами кривых зависимостей коэффициентов распыления ВМ-05 и БГП-10 от углов падения ионов - такими, что при некоторых углах распыления эти керамики, возможно, распыляются одинаково;

c. более сильной зависимостью коэффициента распыления ВМ-05 от температуры по сравнению с БГП-10 в диапазоне, характерном для температур стенок разрядного канала СПД (450-500 °С).

2. Условия распыления керамик в составе СПД такие, что распыление стенок разрядного канала, изготовленных из БГП-10 и ВМ-05, идет по-разному; в число этих условий входят:

a. в ходе работы на стенках из БГП-10 формируются рельефы, которые ведут к понижению коэффициента распыления;

b. из-за разницы в эмиссионных свойствах керамик, разряд в канале СПД организуется по-разному, что ведет к различной интенсивности распыления.

Для проверки предложенных механизмов были измерены коэффициенты объемного распыления керамик, использованных для изготовления стенок разрядного канала СПД при различных условиях бомбардировки. Были исследованы рельефы поверхности керамик

после распыления как в струе СПД, так и в составе стенок разрядного канала, изучен их атомарный состав с помощью оптического и растрового электронного микроскопов. Были измерены параметры плазмы в канале СПД с помощью пристеночных зондов Ленгмюра.

Схема эксперимента, примененная в данной работе для измерения коэффициента объемного распыления керамик, показана на рис.1. В качестве источника ионов была применена лабораторная модель СПД с диаметром средней линии разрядного канала 100 мм. Керамические образцы представляли собой диски диаметром 20 мм и высотой 3 мм. Образцы распылялись ионами с углами падения 0, 20, 30, 40, 50, 60, 70 градусов. Плотность тока ионов в струе контролировалась цилиндром Фарадея. Эксперименты проводились на режимах с напряжениями разряда 325 и 500 В.

Унос вещества образцов определялся взвешиванием образцов до и после экспозиции в плазме. Во избежание влияния адсорбированного водяного пара на результаты, образцы прокаливались до 180-200 °С.

Анализ показал, что суммарная погрешность эксперимента составляет 25...30% для образцов расположенных под углами 0°...40° и до 45% для образцов расположенных под углами 50°...70° по отношению к направлению скорости бомбардирующих ионов.

ЬЛонтаж-ная плита

Цилиндр Фарадея

Направление движения потока плазмы

Образ1{ы

Центральная линия разрядного канала СПД

Рис.1. Схема установки для измерения коэффициента объемного распыления керамик.

0 10 20 30 40 50 ео 70 м

-*-БГП, 325 В А Б ГП. 3S0 »В, G«TÍM •<.«!.

-w-BN-09. 329 В ¿ МЛрид вор«. 350 «В. GwnWf «l.«l.

О нитрид бор«. 3S0 »В. Brttton d.d.

Рис.2. Зависимость к-та распыления от Рис 3 Зависимость к-та распыления от угла падения ионов, = 325 В. угла падения ионов, = 500 В.

Полученные зависимости объемного коэффициента эрозии БГП-10 и BN-05 от энергии и угла падения ионов представлены на рис.2-3. При повышении температуры поверхности с 280 °С до 450 °С путем изменения мощности разряда источника ионов и применения дополнительных теплоизоляционных кожухов, увеличения коэффициента распыления BN-05, превышающего погрешность измерения замечено не было.

Полученные результаты показывают, что коэффициент распыления ионами Хе+ BN-05 в диапазоне исследованных энергий ионов, углов падения и температур ниже, чем БГП-10. Таким образом, характер зависимости коэффициентов распыления исследованных керамик не является причиной близости ресурсов СПД со стенками, изготовленными из данных материалов.

Для выяснения механизмов возможного влияния микроструктуры стенок разрядного канала на ресурс были проведены исследования рельефов стенок трех СПД различной мощности с ресурсом от 50 до 500 часов.

Известно, что одной из отличительных черт изоляторов СПД из БГП-10 является возникновение характерной шероховатой структуры («нормальной эрозии») в первые часы работы и последующее возникновение следов т.н. «аномальной эрозии» (спустя 100-500 часов). При этом возникновение «аномальной эрозии» соответствует значительному замедлению скорости эрозии стенок разрядного канала СПД.

В ходе ресурсных испытаний исследованного в работе СПД со стенками разрядного канала из БГП-10 шероховатость проявилась спустя 30-50 часов работы, а первые следы «аномальной» эрозии спустя 200 часов. Стенки из BN-05 имели относительно гладкую

поверхность и не имели следов «аномальной» эрозии на протяжении всего срока проведения ресурсных испытаний.

В прианодной зоне распыления на стенках из БГП-10 периодическая структура представляла собой чередующиеся «пики», ориентированные вдоль движения плазменного потока, как правило, с двумя склонами, «малым» — подвергающимся основному воздействию плазмы, и «протяженным» - оказывающимся затененным от бомбардировки. Между пиками встречаются «ямки» с дном, состоящим из однородного материала, и стенками из игл и чешуй. Характерная высота «пика» меняется в пределах 50... 160 мкм, диаметр «ямки» от 100 до 350 мкм.

В результате процессов «аномальной эрозии» получается структура, состоящая из продольных борозд с характерным размером 30...150 мкм в зоне близкой к прианодной, и переходящая в «зубья» с характерным периодом 500...700 мкм, длиной 1500...2200 мкм, шириной 250...350 мкм.

При увеличении изображения, на затененных от потока плазмы частях элементов «нормальной» и «аномальной» эрозии становится различима тонкая игловидная структура (рис.4). Характерный диаметр элемента этой структуры - 50...600 нм, длина - 100...1500 нм. Точно определить химический состав данных структур пока не удалось. Можно лишь утверждать, что в состав материала на «гребнях» «нормальной эрозии» входят атомы В, И, 81, О, а в иглах «тонкой структуры» - в основном при сильном сокращении доли О. Оценки показывают, что наличие тонкой структуры не приводит к возникновению автоэмиссии электронов ввиду низкого значения электрического поля у концов игл. В то же время, ВЭЭЭ с такой структуры затруднена, т.к. происходит поглощение части вторичных электронов боковыми поверхностями игл.

Также была обобщена информация о микроструктурах поверхностей стенок разрядных каналов СПД, испытанных в Центре Келдыша, формирующихся в результате длительных (до 2000 часов) ресурсных испытаний четырех моделей СПД с мощностью 200, 600, 900, 1500 Вт. Стенки разрядных камер изготавливались из БГП-10, ВЛ-05, керамических смесей ВМ-У203, ВЫ^з^, В^Ю, пиролитического нитрида бора (р-ВЫ).

В ходе исследований рельефов стенок СПД было показано, что: 1. Структуры «нормальной» эрозии на стенках из БГП-10 по своей форме близки к структурам, возникающим на образцах, распыляемых в струе двигателя, и не ведут к снижению коэффициента распыления данной керамики.

Рис.4. Элемент рельефа поверхности Рис.5. Аномальная эрозия наружной

внутренней стенки из БГП, «тонкая стенки разрядного канала из В>1-05.

структура». СПД мощностью 900 Вт, СПД мощностью 200 Вт, ресурс 500 ресурс 500 часов часов.

2. Возникновение структуры «аномальной» эрозии является индикатором снижения интенсивности распыления стенки плазмой и не зависит от ее состава (рис.5).

3. Возникновение игл «тонкой структуры» может при определенных условиях влиять на эмиссионные свойства стенки, но, так как иглы состоят из легко распыляемых элементов и возникают на элементах рельефа поверхности, затененных от основного плазменного потока, их наличие снизить коэффициент распыления БГП-10 не может.

Таким образом, был сделан вывод о том, что разница в морфологии поверхностей БГП-10 и ВN-05 не является причиной близости ресурсов СПД со стенками разрядного канала, изготовленными из этих керамик.

Для изучения параметров плазмы лабораторная модель СПД со стенками из БГП-10 была оснащена пристеночными ленгмюровскими зондами. Было установлено 8 зондов, из которых 5 размещено внутри канала СПД заподлицо с внешним изолятором (материал вольфрам-рений, диаметр 0,5 мм), а 3 были размещены за срезом канала СПД (материал - вольфрам, диаметр 1 мм). Двигатель со стенками из ВЫ-05 также был оснащен 8 ленгмюровскими зондами (диаметр 0,5 мм, материал - вольфрам-рений), причем все они были расположены внутри канала.

Некоторые распределения параметров плазмы вдоль наружной стенки канала представлены на рис.6-7. На графиках для иллюстрации приведены положения наружного магнитного полюса и среза керамики для обоих материалов. Шкала оси абсцисс отсчитывается от края анода. Видно, что осевые положения области наиболее заметного

перепада потенциала плазмы и максимума электронной температуры различны для разных материалов. Для стенок из ВЫ-05 область

перепада потенциала расположена на 1___1,5 мм ближе к аноду, чем

для случая БГП-10. Проведенный анализ показал, что суммарная погрешность зондовых измерений составила 25...30%, что является типичной величиной для измерений такого рода.

Максимальное значение электронной температуры плазмы, ограниченной стенками из ВЫ-05, оказывается выше полученного со стенками из БГП-10, и её максимум находится на 1,5...2 мм ближе к аноду, чем в случае стенок из БГП-10, что согласуется с опубликованными ранее группой Х.Тахара из университета г.Осака данными для материалов с различными коэффициентами ВЭЭЭ.

Таким образом, можно считать, что повышенная эрозия стенок из ВИ-05, в сравнении с БГП-10, вызвана перемещением слоя ускорения ионов ближе к аноду, в случае стенок из В1Я-05. Слой оказался смещен на величину ~1 мм. Перемещение слоя при одинаковых напряжении разряда, расходе рабочего тела и близких топологиях магнитного поля является следствием особенностей проводимости электронной компоненты плазмы.

Для получения количественных критериев зависимости положения слоев ускорения и ионизации от свойств материала стенки была разработана одномерная стационарная гидродинамическая модель плазмы СПД по аналогии с предложенной в 2003 г. X. Тахара. В отличие от модели X. Тахара в предложенной модели в уравнении движения электронов корректно учитываются столкновения электронов со стенкой.

расстояние до «мед* мм

-в-ВЧ 600 В -и-БГТТ. 500 В —а— ВН 400 В БГП. 400 В —о— ВН 300 В -«-БГТ1300Е|

Рис.6. Распределение потенциала плазмы в СПД со стенками из БГП-10 и В1М-05.

I -о- BN50QB —БГП 500 В -6-BN400 В -+-ЕГП400В -»-BN300B -*-ЕГПЗООв]

Рис.7. Распределение температуры электронов в СПД со стенками из БГП-10 и BN-05.

В область расчета модели входил разрядный канал СПД с высотой А и площадью 5 . В модели учитывались однократная ионизация рабочего тела (ксенона с температурой Т„), упругие и неупругие столкновения электронов с нейтральными частицами, рассеяние электронов и ионов на стенке с обменом энергией движения. Все процессы взаимодействия моделировались за счет соответствующих частот:

9 1 г ' 1 ■» 1 г '

" „ < ' "„=«*"г2—Г.» п, Л п.

1

= аш • —

м> Л

%кТе

ят

1 + 2

К Е,

схр

кТ.

' У. = П.сг.

ит.

где т- масса электрона,^ - частота потерь ионов на стенках, -частота столкновений электронов со стенками, у1 - частота ионизации нейтральных атомов, уп - частота упругих столкновений электронов с нейтралами, а„ = 0,3...0,003 - поправочный коэффициент, введенный для учета магнитного удержания электронов в плазме, ап =2,7-10"19 -среднее сечение упругих столкновений электронов, сг, =3,6-Ю~20 -среднее сечение ионизации, Те - электронная температура, £.=12,1 эВ — потенциал ионизации Хе, Г,,Ге- потоки ионов и электронов на стенку, п„, пе, л, - концентрации нейтралов, электронов и ионов, Л -

высота разрядного канала.

Величина пристеночного скачка рассчитывалась по формулам:

кТ.

1п

Г МТ„ Л

тТ,

+ 1п(1 -5) < 0,997; д>„ = > 0,997 (1)

где е - заряд электрона, М - масса атома Хе, 3 = (е/е1У - коэффициент вторичной электрон-электронной эмиссии, ср^ - пристеночный скачок

потенциала плазмы. Значения а было выбрано равным 0,576, £х (величина первого порога размножения электронов) - 31 эВ для Ь-ВМ и 53 эВ для БГП. Поток ионов на стенку принимался равным потоку электронов за вычетом потока вторичных электронов:

' еЧ ' \ът) \кте

Г(=Г-^1 пе\5> 0,997 \2лт )

где Т,= Т„= 1000 °К. Таким образом, учитывалась возможность возникновения режима насыщения пристеночного слоя плазмы

-£);£< 0,997'

(2)

объемным зарядом вторичных электронов, с отражением избытка вторичных электронов обратно на стенку.

Решались уравнения неразрывности и уравнение сохранения импульса для ионов при известном распределении электронной температуры в канале двигателя:

где /ле - проводимость плазмы, Е- напряженность электрического поля, Ve - осевая скорость электронов, В - индукция магнитного поля, Qe = еВ/ше - циклотронная частота электрона, аШт = 1/160 -коэффициент аномальной Бомовской проводимости электронов. Распределение магнитного поля принималось равным осевому распределению радиальной компоненты магнитного поля на средней линии канала СПД, полученному в эксперименте при минимизации тока разряда.

Для замыкания системы уравнений учитывались уравнения постоянства тока разряда, неразрывности тяжелой компоненты, квазинейтральности плазмы:

Id = const = е- S- (neVe +niVl),nrlV„+nlVl = const = ma/(MS),ne =nt, (5) где Id - ток разряда, V„= const = (5кТ„/ЗМ) - скорость нейтралов, ma -

анодный расход рабочего тела.

Распределение электронной температуры выбиралось одинаковым для обоих материалов и близким к измеренному экспериментально для БГП. В результате численного решения уравнений (1-5) были получены осевые распределения параметров плазмы для СПД со стенками из БГП-10 и BN-05. Была отмечена разница в положении зоны ионизации, а также в условиях ускорения ионов для двух различных материалов. Сильное различие частот столкновений электронов со стенкой для БГП (1,8-105 Гц) и BN-05 (2,2-105 Гц) обуславливает повышенную электронную проводимость для стенок из нитрида бора, смещение максимума частоты ионообразования и электрического поля к аноду.

Третья глава диссертации посвящена исследованию влияния плазмы СПД и электронного пучка при атмосферном давлении на свойства материала стенки. Исследуется также влияние различных

(3)

Закон движения электронов сводился к соотношению:

(4)

материалов-связок и условий изготовления на механические свойства горячепрессованных керамик, и их функционирование в составе СПД.

С целью получения исходных данных о механических свойствах материалов, были проведены измерения предела прочности куба со стороной 5 мм на сжатие (<т ), испытания на изгиб в трех точках (сг4),

определение ударной вязкости по Шарпи без надреза (сг,), измерение поверхностной микротвердости по Бринеллю (НВ), открытой пористости материала (<р). Результаты механических испытаний представлены в табл.1. Затем из исследованных материалов изготавливались стенки разрядных каналов СПД мощностью 200 и 500 Вт и проводились параметрические и краткие ресурсные испытания.

В ходе испытаний СПД мощностью 200 и 900 Вт со стенками разрядного канала, изготовленными из указанных материалов, выяснилось, что только керамики, изготовленные методом горячего прессования, обладают достаточной стойкостью к тепловому удару. Таблица 1. Некоторые результаты механических испытаний керамик

Метод изготовления № Марка материала/ Состав Плотность, г/см3 ф,% min/max, МПа МПа НВ О",. Дж/ мг

1 БГП-10 1,63 33 - - -270 -

1,982,18 12- го 144 133 280-300 1110

2 BN-05 1,73 19 17/27 28 67-90 250

1,84 14 23/26 - 100 -

3 БНГП-8 1,65 23 7/9 20 76-110 210

Горячее 1,78 17 18/20 35 83-130 -

прессование 4 BN+CaO 1,82 29/41 89-97 101-110 582

5 bn+y2o3 2,00 19 7/12 - 83-90 393

6 BN-SijNi 2,15 23 - - 181 -

7 BN-b4c 1,73 26 - - 207 -

8 BN-Y2O5-ai2o3 1,75 27 - - 111 -

Шликер-ное литье 12 BN-SijN4-Si02 2,05 26 - - * -

Спекание 13 АБН 2,05 32 36/42 44-47 75-92 383

Скорость изменения толщины стенок со стороны, обращенной к катоду, в результате распыления всех исследованных материалов, в составе которых содержалось 60% BN или больше, оказалась порядка 18-22 мкм/час для СПД мощностью 900 Вт в режиме с высоким удельным импульсом.

Отдельно стоит выделить материал BN+Si3N4, для которого эта скорость оказалась значительно выше -35 мкм/час, видимо, ввиду отношения компонент 1 к 1. Кроме того, распыление материала BN-В4С шло особым образом, т.к. в условиях плазмы СПД композит нитрид бора-карбид бора является полупроводником с сопротивлением близким к нулю. Распыление шло по всей длине образца, а не только на кромке. При этом скорость изменения толщины стенок для данного материала составила ~11 мкм/ч. Выходные характеристики СПД со стенками из керамик-изоляторов отличались незначительно.

В ходе исследований было замечено, что, помимо изменения рельефа и состава поверхности, распыление в плазме СПД ведет к повышению механических свойств стенок разрядного канала, изготовленных из керамики BN-05. Были проведены эксперименты по распылению образца в струе СПД. Образец из материала BN-05 распылялся в течение 5,5 часов при плотности тока 1...5 мА/см2 и энергии ионов Хе+ -300 эВ. Толщина унесенного материала составила -100... 150 мкм. Обработка привела к повышению предела прочности на изгиб в трех точках с 20 до 124 МПа.

Для определения механизма упрочнения была проведена обработка керамики в плазме концентрированного электронного пучка с энергией 100 кэВ при атмосферном давлении. Известно, что при бомбардировке материала электронами происходит разрушение слабых химических связей в поверхностном слое, плазма электронного пучка осуществляет травление поверхности, «подготовленной» первичными электронами. Тепловое воздействие концентрированного пучка приводит к локальным переплаву легкоплавких компонент, снятию остаточных напряжений в детали. При этом интенсивного распыления, сравнимого с бомбардировкой плазмой СПД, нет.

Эксперименты по обработке керамики проводились на ■ установке М-1. Электронный пучок в данной установке формируется в электронной пушке с накальным катодом, откачанной до давления 10'5 Topp. Пучок инжектируется в атмосферу через систему дифференциальной откачки. Обработка проводилась при ускоряющем напряжении 80 кэВ, токе пучка 50 мА. Время экспозиции составило -10 с. Глубину проникновения электронов в материал, с учетом потерь в воздухе, можно оценить, как -20-50 мкм. Обработка поверхности образца из BN-05 плазмой электронного пучка ведет к повышению HB с 76 до 124.

Для проверки влияния насыщения поверхностных слоев образца BN-05 переплавленным В203 было проведено глазурирование изделия. Эксперименты были проведены на образцах BN-05 с пределом прочности на изгиб 20 МПа. Нанесение глазури из оксида бора привело к повышению этой величины до 73 МПа.-.Толщина покрытия составила -200...300 мкм.

Таким образом, можно сделать вывод, что повышение прочностных свойств после плазменной обработки вызвано локальным переплавом оксида бора, входящего в ВЫ-05. Конкретные механизмы этого повышения прочности требуют дальнейших исследований. Технологические процессы на основе обнаруженных закономерностей были внедрены в технологию изготовления стенок разрядного канала

спд.

В заключении диссертации излагаются основные особенности работы, обобщаются полученные результаты и формулируются следующие выводы:

1. Получены зависимости коэффициента объемного распыления керамик БГП-10 и ВЫ-05 от энергии (270...500 эВ) и угла падения ионов Хе+ (0° ...70°). Показано, что коэффициент объемного распыления ВИ-05 слабо зависит от температуры в диапазоне 200500 °С. Показано, что в исследованных диапазонах углов падения и энергий ионов стойкость к распылению материала В>1-05 в 1,5...2 раза выше по сравнению с БГП-10.

2. Проведены измерения пристеночных параметров плазмы в СПД с мощностью 900 Вт и удельным импульсом 1950 с. Стенки разрядного канала были изготовлены из БГП-10 и В>1-05. Показано, что для стенок разрядного канала, изготовленных из ГО4-05, зоны максимума электрического поля и электронной температуры расположены ближе к аноду на 1,5-2 мм, чем для БГП-10, что приводит к более высокой скорости распыления стенок из нитрида бора. Для объяснения данного явления предложена одномерная стационарная гидродинамическая модель плазмы СПД. Показано, что смещение зон ионизации и ускорения к аноду вызвано низким значением первого порога размножения электронов на поверхности В1М-05 по сравнению с БГП-10.

3. Исследованы рельефы, формирующиеся в ходе работы двигателя на поверхности стенок разрядного канала СПД, изготовленных из материалов . ВЫ-05, р-ВЦ, БГП-10, ВтУ203, Обнаружено возникновение «тонкой структуры» на поверхности стенок, изготовленных из БГП-10. Эта структура состоит из игл с характерным диаметром 50-600 нм и длиной 100-1500 нм. В результате проведенных оценок показано, что возникновение подобной структуры ведет к затруднению процессов вторичной электронной эмиссии и повышению первого порога размножения электронов, а, следовательно, к смещению зон ионизации и ускорения по направлению к аноду.

4. Для исследованных материалов показана слабая зависимость скорости распыления стенки СПД с массовой долей

гексагонального нитрида бора 85...90% и выше от состава связки, примененной при изготовлении материала стенки. Показано, что скорость эрозии стенки слабо зависит от пористости материала.

5. Для керамики BN-05 показано, что покрытие поверхности образца толщиной 5 мм слоем оксида бора толщиной 0,3...0,5 мм ведет к повышению его предела прочности на изгиб в трех точках с 20 до 63 МПа. Показано, что травление плазмой ксенона поверхности образца с выработкой 10... 15 мкм поверхности ведет к повышению предела прочности на изгиб в трех точках того же образца с 20 до 124 МПа и увеличению твердости HB с 76 до 137. Обработка поверхности образца плазмой электронного пучка ведет к повышению HB с 76 до 124.

Основное содержание работы опубликовано в следующих

журнальных статьях и трудах конференций:

1. Abashkin V.V., Ilyin A.A. The Investigation Of Possibilities Of Concentrated Electron Beam Control In The Gases Of Atmospheric Pressure. // High Temperature Material Processes An International Journal. - 2004 - vol.8. - №1-4. - p.313-319 (Абашкин B.B., Ильин A.A. Исследование возможности управления электронным пучком в газах атмосферного давления. // Журнал высокотемпературных процессов обработки материалов. - 2004 г., т. 8. - №1-4. - с.313-319).

2. Abashkin V.V., Gorshkov O.A., Ilyin A.A., Lovtsov A.S., Rizakhanov R.N. Multipass Surface Hardening Of Steel Samples With Inclined Surfaces By Concentrated Electron Beam In The Air Of Atmosphere Pressure. // High Temperature Material Processes An International Journal. - 2004 - vol.8. - №1-4. - p.427-432 (Абашкин B.B., Горшков O.A., Ловцов A.C., Ильин A.A. Ризаханов Р.Н.Многопроходное упрочнение стальных образцов с наклонной поверхностью в воздухе атмосферного давления. // Журнал высокотемпературных процессов обработки материалов. - 2004. - т. 8. - №1-4 - с.427-432).

3. Абашкин В.В., Горшков O.A., Ловцов A.C., Ильин A.A., Ризаханов Р.Н. Упрочнение металлов и сплавов под воздействием электронного пучка в атмосфере // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Техническая физика и автоматизация. - 2004. -вып. 58 - с.16-19.

4. Абашкин В.В., Горшков O.A., Ловцов A.C., Ильин A.A., Ризаханов Р.Н. Экспериментальные исследования очистки газов от токсичных примесей (NOx) концентрированным электронным пучком. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Техническая физика и автоматизация. — 2004. - вып.58. - с.50-53.

5. Абашкин В.В., Васин А.И., Ганкин В.И., Ловцов A.C. К вопросу оценки тепловых потерь в стационарных плазменных двигателях,

работающих на повышенных напряжениях. // Космонавтика и ракетостроение. -2008. -№1(50). - с.43-50.

6. Abashkin V.V., Blinov N.V., Gorshkov О.А., Irishkov S.V., The Influence of Magnetic Field on Processes in Low Power Hall Thrusters. IAF-99-S.4.06. Proceedings of 50th International Astronautical Federation Congress, Amsterdam, the Netherlands, 1999 (Абашкин B.B., Блинов H.B., Горшков O.A., Иришков С.В., Влияние магнитного поля на процессы в холловском двигателе малой мощности. Труды 50-го Международного астронавтического конгресса, Амстердам, Нидерланды, 1999 г.).

7. Abashkin V.V., Gorshkov О.А., Lovtsov A.S., Shagaida A.A. Analysis of Ceramic Erosion Characteristic in Hall-Effect Thruster with Higher Specific Impulse. IEPC-2007-133. Proceedings of the 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy September 17-20, 2007 (Абашкин B.B., Горшков O.A., Ловцов A.C., Шагайда A.A. Анализ характеристик эрозии керамики в холловском двигателе с повышенным удельным импульсом. Труды 30-й Международной конференции по электроракетным двигателям, Флоренция, Италия, 17-20 сентября, 2007 г.).

8. Абашкин В.В. Анализ особенностей распыления керамики в холловском двигателе с высоким удельным импульсом. Материалы первой научно-технической конференции молодых ученых, посвященной 75-летию Исследовательского центра им. М.В. Келдыша, с.33-35. Москва 24-25 сентября, 2008 г.

9. Abashkin V.V., Belikov М.В., Gorshkov О.А., Lovtsov A.S., Khrapach I.N. "Investigation of Discharge Channel Wall Material Influence on Lifetime of Hall Effect Thruster with High Specific Impulse", EUCASS2009-413, Proceedings of the 3rd European Conference on Aerospace Research, Versailles, France, 6-9 July 2009 (Абашкин B.B., Беликов М.Б., Горшков O.A, Ловцов A.C., Храпач И.Н. «Исследование влияния материала стенок разрядной камеры на ресурс холловского двигателя с высоким удельным импульсом», EUCASS2009-413, Труды 3-ей Европейской конференции по аэрокосмическим наукам, Версаль, Франция, 6-9 июля 2009 г.).

10. Абашкин В.В., Беликов М.Б., Васин А.И., Горшков О.А, Ловцов А.С., Храпач И.Н. «Особенности распыления плазмой ксенона материалов на основе гексагонального нитрида бора в составе холловского двигателя». Труды XIX Международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью, том 2., с.307-310, Звенигород, 21-25 августа, 2009 г.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА, 1. ВЛИЯНИЕ МАТЕРИАЛА СТЕНОК РАЗРЯДНОГО КАНАЛА НА РАБОТУ СПД.

1.1. Основные процессы генерации плазмы в канале СПД.

1.1.1. Динамика электронной компоненты.

1.1.2. Формирование потоков плазмы в СПД.

1.2. Влияние материала стенки на работу СПД.

1.2.1. Выходные характеристики - тяга, удельный импульс, КПД.

1.2.2. Ресурс СПД.

1.3. Распыление стенок разрядного канала СПД.

1.3.1. Общие закономерности распыления.

1.3.2. Особенности распыления материалов в плазме СПД.

1.4. Материалы, применяющиеся в качестве изоляторов СПД.

1.4.1. Методы изготовления технической керамики.

1.4.2. Механическая обработка деталей СПД.

1.4.3. Предполетные механические испытания СПД.

ГЛАВА, 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ МАТЕРИАЛА СТЕНКИ НА РЕСУРС СПД С ВЫСОКИМ УДЕЛЬНЫМ ИМПУЛЬСОМ.

2.1. Результаты 500 часовых ресурсных испытаний: постановка задачи, поиск методов решения.

2.2.Измерение угловой и энергетической зависимости объемного коэффициента распыления керамик на основе нитрида бора - БГП-10'и BN-05.

2.2.1. Особенности измерения объемного коэффициента распыления.

2.2.2. Устройство для измерения объемного коэффициента распыления и методика проведения экспериментов.

2.2.3. Результаты экспериментальных исследований объемного коэффициента распыления керамик на основе нитрида бора - БГП-10 и BN-05.

2.2.4. Проверка полученных коэффициентов распыления БГП с помощью полуэмпирической модели распыления стенки СПД.

2.3. Исследование микрорельефа поверхности»стенок разрядного канала СПД:.

2.3.1. «Нормальная» эрозия, «аномальная» эрозия, «тонкая! структура» стенок СПД с высоким удельным импульсом после 500 часовых сравнительных ресурсных испытаний со стенками из БГП и BN-05.

2.3.2. Зависимость вида рельефа стенки разрядной камеры от материала, типа двигателя, длительности ресурсных испытаний

§.

2.4. Измерения параметров плазмы вблизи стенки разрядного канала СПД.

2.4.1. Методика зондовых измерений параметров плазмы: трудности, результаты экспериментов, оценка погрешности.

2.4.2. Причины близкого ресурса двух СПД со стенками из БГП-10 и BN-05.

2.4.3. Одномерная стационарная гидродинамическая модель плазмы СПД.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ЭРОЗИОННЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПЕРСПЕКТИВНЫХ КЕРАМИК.

3.1.Поиск перспективных материалов для стенок разрядного канала и других узлов СПД.

3.1.1. Формирование требований к перспективным материалам для стенок разрядного канала СПД.

3.1.2. Результаты параметрических и ресурсных испытаний лабораторной модели СПД с мощностью 900 Вт и удельным импульсом свыше 1850 с со стенками разрядного капала, изготовленными из перспективных материалов.

3.2. Механическая прочность керамик и поиск методов ее повышения.

3.2.1. Результаты механических испытаний перспективных керамик.

3.2.2. Особенности разрушения хрупких тел с высокой долей h-BN.

3.2.3. Методы повышения механической прочности: нанесение покрытий, плазменное распыление, облучение плазмой электронного пучка.

Современные тенденции в развитии космических аппаратов выдвигают новые требования к двигателям коррекции орбиты по удельному импульсу (свыше 1800 с) и ресурсу (5. 10 тыс. часов) [1]. Перспективными с этой точки зрения являются холловские двигатели (ХД). В ХД ионы, создающие тягу, ускоряются в скрещенных электрическом и магнитном полях в объеме, ограниченном коаксиальными цилиндрическими стенками в радиальном направлении и кольцевым анодом — с одной из сторон по оси. Через отверстия в аноде подается рабочее тело, как правило, ксенон. Разность потенциалов прикладывается между анодом и катодом-компенсатором, расположенным снаружи двигателя.

ХД принято делить на двигатели с протяженной И' короткой зонами ускорения. Первый тип двигателя в технической литературе называют стационарным плазменным двигателем (СПД), а второй - двигателем с анодным слоем (ДАС). Эти двигатели близки между собой по принципу действия и по достигнутым параметрам.

В, СПД разрядная камера, выполняется из диэлектрического материала, в ДАС разрядная камера металлическая. Известен также ХД с составной разрядной камерой, основная часть которой выполнена из металла, а диэлектрический материал используется в виде стенок в выходной части канала (общепринятыми названиями этих керамических узлов являются также «кольцо» и «изолятор») [2]. Поскольку разрядная камера содержит как металлические, так и диэлектрические элементы, такой, тип ХД называется холловским двигателем с гибридной схемой разрядного канала. По организации рабочего процесса этот тип двигателя ближе к СПД, но отличается, как минимум, меньшим весом разрядной камеры, более высокой механической прочностью, меньшими стоимостью и сроком изготовления камеры. В данной работе под СПД подразумеваются, как ХД с цельнокерамической, так и с гибридной разрядной камерой.

Опыт, накопленный при отработке ХД, как в России, так и за рубежом, показывает, что одной из основных причин, ограничивающих их ресурс, является эрозия* стенок разрядного канала, которая происходит в результате воздействия' плазмы ХД. Эрозия вызывает изменение геометрии разрядного канала вплоть до полного износа изоляторов, при котором ионный поток начинает взаимодействовать с элементами магнитопровода, обладающего низкой стойкостью к распылению. Поэтому в большинстве исследовательских работ, посвященных ресурсу ХД, полным ресурсом ХД называют время, после которого начинается интенсивное распыление магнитопровода.

Изменение геометрии разрядной камеры и, в меньшей степени, магнитопроводов в ходе работы ХД приводят к перестройке режима работы двигателя и выходу основных его параметров, таких как величина КПД и тяги, за пределы коридора допустимых значений и далее до полной потери работоспособности. Время работы, после которого происходит падение выходных характеристик ниже минимальных заданных техническим заданием, является эффективным ресурсом двигателя.

Рабочим телом летных образцов ХД служит ксенон. В качестве материала стенок разрядного канала на ДАС применяются различные сорта графита [3], на СПД и ХД с гибридной схемой используются керамические композиты: БГП-10 (смесь оксида кремния и нитрида бора с незначительным количеством добавок) [4, 5], нитрид бора высокой чистоты с различными связующими [6, 7], АБН - смесь из нитрида бора и нитрида алюминия [8, 9]. Существующие летные образцы ХД в ходе наземных и космических испытаний демонстрируют значительный ресурс при высоком полном удельном импульсе в широком диапазоне мощности. Например, двигатель PPS-1350 совместной разработки ОКБ «Факел» и компании «SNECMA Motors» мощностью 1350 Вт показал рекордный ресурс в 11,5 тыс. часов в наземном эксперименте и более 5 тысяч часов ресурса работы в космосе при сохранении работоспособности [10]. Двигатель мощностью 10 кВт, разработанный в научном центре Гленна, [11] успешно отработал в течение 1 тысячи часов. ХД малой1 мощности КМ-32 и КМ-45, созданные во ФРУП «Центр Келдыша» прошли 500 и 1000 часовые ресурсные испытания соответственно, и, по оценкам, обладают полным ресурсом не менее 3000 часов. Удельный импульс перечисленных ХД составлял менее 1800 с [12].

Существуют значительные проблемы по достижению ХД малой и средней мощности ресурса величиной несколько тысяч часов при повышении удельного импульса до 19002000 с [13]. К числу проблем относятся как быстрая деградация выходных параметров, включая удельный импульс, в первые несколько сот часов работы, так и сокращение полного ресурса двигателя, в силу быстрой выработки стенок разрядного канала.

Удельный импульс тяги ХД является функцией разрядного напряжения. Повышение разрядного напряжения с 300-400 В до 500 и выше обеспечивает рост удельного импульса с 1700 с до 2000 с, и ведет к изменению физики явлений в разрядном канале, формы и положению слоев в плазме, характерной энергии ионов, температуры электронной компоненты, организации пристеночных процессов. Растет тепловыделение в двигателе, увеличиваются потоки частиц на стенку разрядного канала, интенсифицируются процессы распыления элементов конструкции.

Существует несколько способов решения данных проблем: изменение топологии магнитного поля в разрядном канале СПД [14, 15, 16], оптимизация геометрии разрядной камеры для работы на режимах с повышенным удельным импульсом по принципам, предложенным в [12, 17], поиск материалов повышенной стойкости к плазменно-ионному распылению для стенок разрядного канала [8, 18, 2]. Нынешний уровень аналитических и расчетных моделей плазмы СПД не позволяет предсказывать закономерности формирования распыляющих потоков, описывать деградацию выходных параметров, оценивать полный ресурс с необходимой при разработке двигателей нового поколения точностью. Эти модели позволяют определить тенденции изменения этих величин с ростом разрядного напряжения, которые требуют экспериментальной проверки.

С учетом сказанного выше можно определить цель работы, которая состоит в экспериментальном исследовании процессов распыления стенок разрядного канала СПД с высоким удельным импульсом* (выше 1800 с) и модификации свойств керамик в результате воздействия плазмой СПД и электронного пучка; в выделении физических механизмов влияния материала стенки на горение разряда в СПД.

Решаемые задачи. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать энергетические и угловые зависимости коэффициента объемного распыления перспективных керамических композитов ионами ксенона, для чего необходимо создать устройство по измерению объемного коэффициента распыления в плазменной струе СПД.

2. Исследовать локальные параметры плазмы СПД в пристеночной области канала и* скорости уноса керамики стенок для выяснения условий их распыления в двигателе при работе на.режимах с высоким удельным импульсом (свыше 1800 с).

3. Исследовать механизмы влияния состава поверхности стенки и ее рельефа на условия работы СПД для выяснения особенностей процессов переноса заряженных частиц в двигателях с разными материалами стенок разрядного канала.

4. Провести экспериментальные исследования по определению зависимости рабочих параметров СПД от свойств материала стенки для широкого спектра перспективных керамик.

5. Исследовать влияние воздействия плазмы СПД и плазмы концентрированного электронного пучка при атмосферном давлении на изменение механических свойств материала и микрорельефа поверхности.

Данная работа выполнялась в рамках научных исследований по совершенствованию ЭРД, осуществляемых в Центре Келдыша под руководством академика А.С.Коротеева и руководителя отдела электрофизики д.т.н., профессора O.A. Горшкова. В проведении работ принимали активное участие к. ф.-м.н. А.А.Шагайда, к. ф.-м.н. А.С.Ловцов, Н.В.Блинов, М.Б.Беликов, к.ф.-м.н. E.H. Дышлюк, В.И. Ганкин, А.И. Шнырев, Ю.И. Шнырев, Г.Ф. Галкин, И.В. Шпанов и ряд других сотрудников Центра Келдыша.

Всем участникам работ, составивших основу настоящей диссертации, автор выражает искреннюю благодарность. Отдельную благодарность автор выражает работникам лаборатории структурного анализа отдела нанотехнологий Центра Келдыша за помощь в работе с электронным микроскопом.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 170 страниц, включая 87 рисунков и 17 таблиц. Список использованной литературы содержит 123 наименования.

Основные выводы, которые можно сделать в результате данной работы заключаются в следующем:

1. Получены зависимости коэффициента объемного распыления керамик БГП-10 и ЕШ-05 от энергии (270.500 эВ) и угла падения ионов Хе+ (0° .70°). Показано, что коэффициент объемного распыления В>1-05 слабо зависит от температуры в диапазоне 200-500 °С. Показано, что в исследованных диапазонах углов падения и энергий ионов стойкость к распылению материала В>1-05 в 1,5.2 раза выше по сравнению с БГП-10.

2. Проведены измерения пристеночных параметров плазмы в СПД с мощностью 900 Вт и удельным импульсом 1950 с. Стенки разрядного канала были изготовлены из БГП-10 и ВМ-05. Показано, что для стенок разрядного канала, изготовленных из ВМ-05, зоны максимума электрического поля и электронной температуры расположены ближе к аноду на 1,5-2 мм, чем для БГП-10, что приводит к более высокой скорости распыления стенок из нитрида бора. Для объяснения данного явления предложена одномерная стационарная гидродинамическая модель плазмы СПД. Показано, что смещение зон ионизации и ускорения к аноду вызвано низким значением первого порога размножения электронов на поверхности ВМ-05 по сравнению с БГП-10.

3. Исследованы рельефы, формирующиеся в ходе работы двигателя на поверхности стенок разрядного канала СПД, изготовленных из материалов ВМ-05, р-ВМ, БГП-10, ВМ+УгОз, ВМ+81зМ4. Обнаружено возникновение «тонкой структуры» на поверхности стенок, изготовленных из БГП-10. Эта структура состоит из игл с характерным диаметром 50-600 нм и длиной 100-1500 нм. В результате проведенных оценок показано, что возникновение подобной структуры ведет к затруднению процессов вторичной электронной эмиссии и повышению первого порога размножения электронов, а, следовательно, к смещению зон ионизации и ускорения по направлению к катоду.

4. Для исследованных материалов показана слабая зависимость скорости распыления стенки СПД с массовой долей гексагонального нитрида бора 85.90% и выше от состава связки, примененной при изготовлении материала стенки. Показано, что скорость эрозии стенки слабо зависит от пористости материала.

5. Для керамики ВМ-05 показано, что покрытие поверхности образца толщиной 5 мм слоем оксида бора толщиной 0,3.0,5 мм ведет к повышению его предела прочности на изгиб в трех точках с 20 до 63 МПа. Показано, что травление плазмой ксенона поверхности образца с выработкой 10. 15 мкм поверхности ведет к повышению предела прочности на изгиб в трех точках того же образца с 20 до 124 МПа и увеличению твердости НВ с 76 до 137. Обработка поверхности образца плазмой электронного пучка ведет к повышению НВ с 76 до 124.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / О.А Горшков, В.А. Муравлев, А.А. Шагайда; под ред.академика РАН А.С. Коротеева. Москва: Машиностроение, 2008 г, с.42-55.

2. Горшков О.А., Муравлёв В.А., Шагайда А.А. Опыт исследований и разработки ЭРД в Центре Келдыша// Космонавтика и ракетостроение. 2008. - Вып. 3-е. 142-155.

3. Solodukhin А.Е., Semenkin A.V. Study Of Discharge Channel Erosion In Multi Mode Anode Layer Thruster. IEPC-2003-0204 Proceeding of the 28th International Electric Propulsion Conference, Toulouse, France, March 17-21, 2003.

4. Arkhipov В., Gnizdor R., Kozubsky K.N. and Maslennikov N. SPT-100 Module Lifetime Test Results. AIAA-1994-2854, Proceeding of the 30th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Indianapolis, IN, June 1994.

5. Peterson, P.Y., Manzella, D.H. Investigation of the Erosion Characteristics of a Laboratory Hall Thruster. NASA/CR—2003-212707 AIAA-2003-5005.

6. Проспект "High Power Hall Effect Thruster Systems" Busek Co, http://www.busec.com.

7. Приданников С.Ю. «Исследование характеристик стационарных плазменных двигателей (СПД) мощностью 1,5.6,0 кВт» Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. ФГУП ОКБ> «Факел». Калининградский ГУ. Калининград, 2002 г.

8. Marchandise F., Cornu N., Darnon F., Estublier D. PPS-®1350 G Qualification Status 10500 H. IEPC-2005-209 Proceedings of the 29th International Electric Propulsion Conference, Princeton University, October 31 November 4, 2005.

9. Mason L.S., Jankovsky R.S. 1000 Hours of Testing on a 10 Kilowatt Hall Effect Thruster. AIAA 2001-3773 Proceeding of 37th AIAA Joint Propulsion Conference, 8-11 July 2001, Salt Lake City, Utah.

10. Belikov M.B., Gorshkov O.A., Dyshlyuk E.N., Lovtzov A.S., Shagayda A.A. Development of Low-Power Hall Thruster with Lifetime up to 3000 Hours. IEPC-2007-129. Proceeding of the 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy.

11. Ионные инжекторы и плазменные ускорители / под ред. А.И. Морозова. Москва: Энергоатомиздаг, 1990, с. 42-56.

12. Морозов A.M. и:др: Стационарный нлазменныйускоритель-двигатель ATOH // Физ. плазмы 1997 - №7. - т.23. - с:635-645:

13. Баркалов Е.Е., Веселовзоров* A.H., Субботин M.JI. Экспериментальные исследования• параметров азимутального дрейфового тока электрона : в устройствах с замкнутым дрейфом;электронов // Жур. Техн. Физ. 1990. - т. 60; - в.2. - с.171-172.

14. Tàhara Hi, Fujioka T., Shirasaki A., Yoshikawa T. Simple one-dimensionab calculation of hall thruster flowfields. IEPC-2003-0016-0303. Proceeding of the 28th International Electric Propulsion Conférence, Toulouse; France; March 17-21, 2003;

15. Baranov V.I., Nazarenko Yu.S., Petrosov V.A., Vasin A.I. Electron Conductivity in ACD. IEPC-99-112. Proceedings of the 26th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, 17-21 October, 1999.

16. Есипчук Ю.Б., Морозов А.И., Тилинин Г.Н., Трофимов А.В. Плазменные колебания в ускорителе с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения. // ЖТФ. -1974,- 18(7).-с. 928-932.

17. Choueiri Е. An Overview Of Plasma Oscillations In Hall Thrusters. ICSP-134. Proceedings of 31st International Conference on Spacecraft Propulsion, Cannes, France, 2000.

18. Морозов А.И. «Эффект пристеночной проводимости в хорошо замагниченной плазме» // ПМТФ. 1968 - №3. - с. 19-22.

19. Морозов А.И., Савельев В.В. К теории пристеночной проводимости // Физ. Плазмы. -2001.-т. 27. №7. - с.607-613

20. Бугрова« А.И., Морозов- А.И., Харчевников B.K. Экспериментальные исследования» пристеночной проводимости // Физ. Плазмы. 1992 - т. 18. — с.1469-1481.

21. Баранов В.И., Васин А.И., Назаренко Ю.С., Петросов В.А., Яшнов Ю.М. Механизм формирования функции,* распределения электронов; в плазменном > ускорителе с замкнутым дрейфом электронов // ПЖТФ. — 1995. т.21. - вып.24. - с.38-41.

22. Fedotov V. Y., Ivanov A. A., Guerrini- G., Vesselovzorov A. N., Bacal М. On the electron energy distribution function in a Hall-type thruster. // Phys. Plasmas 1999. - vol.6. -#11.-pp. 4360-4365.

23. Бишаев A.M., Ким В. Исследование локальных параметров плазмы в ускорителе с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения. // ЖТФ — 1978 т.48. - №9-с. 1853-1867.

24. Gamero-Castano М., Katz I. Estimation of Hall Thruster Erosion Using HPHall. IEPC-2005-303. Proceedings of the 29th International Electric Propulsion Conference, Princeton University, October 31 November 4, 2005

25. Pagnon D., Lasgorceix P., Touzeau M. Control Of The Ceramic Erosion By Optical Emission Spectroscopy: Results Of Pps-1350 Measurements. Proceedings of the 4th International Spacecraft Propulsion Conference, Cagliari, Sardinia, Italy 2-4 June 2004.

26. Введение в плазмодинамику / Морозов А.И. Москва: Физматлит, 2006 г, с.140-141.

27. Manzella D., Yim J., Boyd I. Predicting Hall Thruster Operational Lifetime. Proceedings of the 40th Joint Propulsion Conference and Exhibit Fort Lauderdale, Florida, July 11-14, 2004.

28. Fife J.M. Two-Dimensional Hybrid Particle-In-Cell Modeling of Hall Thrusters. SM Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Department of Aeronautics and Astronautics, May 1995.

29. Fife J.M. Hybrid-PIC Modeling and Electrostatic Probe Survey of Hall Thrusters. PhD Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Department of Aeronautics and Astronautics, September 1998.

30. Cheng S.Y. C. Modeling of Hall thruster lifetime and erosion mechanisms. PhD thesis, Massachusetts Institute of Technology, Department of Aeronautics and Astronautics, May 2007.

31. Ahedo E., Maqueda I., Anton A., Raitses Y., Fisch N. J. Numerical simulations of a 2kW Hall thruster. AIAA 2006-4655. 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit 9-12 July 2006, Sacramento, California.

32. Иришков C.B. Численное моделирование динамики плазмы в холловском двигателе. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. 2005.

33. Kim V., Kozubsky К. N., Murashko V. M., Semenkin A. V. History of the Hall Thrusters Development in USSR. IEPC-2007-142. Proceedings of the 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, September 17-20, 2007.

34. Cheng S.Y., Martinez-Sanchez M. Modeling of Hall thruster lifetime and erosion mechanisms. IEPC-2007-250. Proceedings of the 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, September 17-20, 2007.

35. Barral S., Jayet Y., Mazoufre S., Dudeck M., Veron E., Echegutk P. Hall Effect Thruster with an A1N discharge channel. IEPC-2005-152 Proceedings of the 29th International Electric Propulsion Conference, Princeton University October 31-November 4, 2005.

36. Meezan N.B., Gascon N., Cappelli M.A. Linear Geometry Hall Thruster with Boron Nitride and Diamond Walls. IEPC-01-39. IEPC-01-39. Proceedings of the 27th International Electric Propulsion Conference, Pasadena, CA, 15-19 October 2001.

37. Gascon N., Dudeck M., Barral S. Wall material effects in stationary plasma thrusters. I. Parametric studies of an SPT-100. // Phys. of plasmas. -2003 vol.10. - #10 -p.4123-4136.

38. Raitses Y., Smirnov A., Staack D., Fisch N. J. Measurements of secondary electron emission effects in the Hall thruster discharge. // Phys. of plasmas. — 2006 — vol. 13. — p.014502-1-014502-4.

39. Максименко T.A., Лоян A.B., Кошелев H.H. ХД малой мощности для систем коррекции орбиты малых мини и микроспутников. // Авиационно-космическая техника и технология. 2005. - №9 (25). - ссылка утеряна.

40. Jolivet L., Roussel J.-F. Effects of the Secondary Electron Emission on the Sheath Phenomenon in a Hall Thruster, Proceedings of the 3rd International Conference on Spacecraft Propulsion (ESA Publication Division, Noordwijk, Netherlands, 2000).

41. Морозов А.И. О стационарные однородных дебаевских слоях // Физ. Плазмы. 1991. -т. 17. - №6 - с.672-678.

42. Viel-Inguimbert V. Secondary Electron Emission Of Ceramics Used In The Channel Of SPT. IEPC-03-258. Proceedings of the 28th International Electric Propulsion Conference The Electric Rocket Propulsion Society, Worthington, OH, 2003.

43. Dunaevsky A., Raitses Y., Fisch N. J. Secondary electron emission from dielectric materials of a Hall thruster with segmented electrodes. // Phys. Of Plasmas 2003. - Vol. 10. - №6. -p.2574-2577.

44. Dionne G.F. Origin of secondary-electron-emission yield-curve parameters. // J. Appl. Phys. 1975. - Vol. 46. - № 8. - P.3347-3351.

45. Dawson P.H. Secondary Electron Emission Yields of some Ceramics. // J. Appl. Phys. — 1966.-Vol.37 P. 3644.

46. Barral S., Makowski K., Peradzynski Z., Gascon N., Dudeck M. Wall material effects in stationary plasma thrusters. II. Near-wall and in-wall conductivity. // Phys. Plasmas. 2003. -Vol.10. -# 10-P.4137-4152.

47. Maslennikov N.A. Lifetime of Stationary Plasma Thruster. IEPC-95-75. Proceedings of the 24th International Propulsion Conference, Moscow, Russia, September, 19-23, 1995.

48. Gorshkov O., Belikov M., Vasin A., Muravlev V., Rizakhanov R., Shagayda A. Low-power Hall-Effect Thruster for small Spacecraft, Proceedings of the International Symposium on Space Propulsion 2004, Shanghai, PR China, August 25-28, 2004.

49. Ahedo E., Antón A., Garmendia I., Caro I., González del Amo J. Simulation of wall erosion in Hall thrusters. IEPC-2007-067. Proceedings of the 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy September 17-20, 2007.

50. Lovtsov A., Gorshkov О., Shagayda A. Semi-Empirical Method of Hall Thrusters Lifetime Prediction. AIAA 2006-4662. Proceedings of the 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit.

51. Khartov S.A., Nadiradze A.B., Shkarban I.I., Zikeeva Y.V. SPT's high lifetime some problems of solution. IEPC-2005-62. Proceedings of the 29th International Electric Propulsion Conference, Princeton University, October 31 — November 4, 2005.

52. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Выпуск I. Физическое распыление одноэлементных твердых тел / под ред. Р.Бериша. Москва: Мир, 1984, Глава 2.

53. Yim J.T., Falk M.L., Boyd I.D. Modeling low energy sputtering of hexagonal boron nitride by xenon ions // J. Appl. Phys. 2008. - v. 104. - p. 123507-1 -123507-6.

54. M.R. Nakles. Experimental and Modeling Studies of Low-Energy Ion Sputtering for Ion Thrusters. SM Thesis, July 8, 2004 Blacksburg, Virginia.

55. Распыление под действием бомбардировки частицами. Выпуск III. Характеристики распыленных частиц, применение в технике. / под ред. Р.Бериша и К.Витмака. -Москва: Мир, 1998, Глава 6.

56. Yurasova, Eltekov, Elovikov, Colligon, Negrebetskaya, Promokhov. Sputtering of graphitelike BN Crystals. // Rad. Eff. Def. Sol. 1995. - Vol.133. - P.107-120.

57. Ваулин Е.П. О характере энергетической и температурной зависимости коэффициента распыления поликристаллов при бомбардировке медленными ионами. Ссылка утеряна.

58. Раннев А.Н., Семенов А.А., Соловьев О.Б. Влияние температуры поверхности на скорость распыления керамики. Труды XIII Международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью, Москва, 1997, стр. 136-137.

59. Ваулин Е.П., Георгиева Н.Е., Мартыненко П. Зависимость коэффициента распыления меди от температуры. // ФТТ. 1977. - т. 19. - № 5 - с.1423 -1425.

60. Юрасова, Линник. Распыление двухкомпонентных соединений и сплавов. // Поверхность. 1982. - №3. - с.25-37.

61. Дышлюк Е.Н. «Исследование ресурсных характеристик ускорителя, плазмы- с замкнутым дрейфом электронов-бесконтактным методом» Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук. Центр Келдыша. МФТИ. Москва, 2008'г.

62. Баранов В.И., Васин А.И., Назаренко Ю.С., Петросов В.А., Пузанов С.В., Яшнов Ю.М. Механизм аномальной эрозии диэлектрика под действием плазменного потока // ПЖТФ. 1994. - т. 20 - вып.5 - с.72-74.

63. Керамика для машиностроения / Гаршин А.П., Гропянов В.М., Зайцев Г.П., Семенов С.С. Москва: Научтехлитиздат, 2003, главы 3-5.

64. Физика спекания / Гегузин Я.Е. — Москва: Наука, 1967, с.341-348.

65. Gorshkov О., Ilyin A., Rizakhanov R. New Large Facility For High-Power Electric Propulsion Tests. Proceedings of the International Conference Propulsion for Space Transportation of the XXIst Century, 2002.

66. Горшков О.А., Шагайда А.А. Критерий оптимальности конфигурации магнитного поля в ускорителе с замкнутым дрейфом электронов // ТВТ. — 2008. Т. 46. - № 4. - с. 582-587.

67. Gamier, Y., Roussel, J.-F., Pagnon D. Investigation of Xenon Ion Sputtering of One Ceramic Material Used in SPT Discharge Chamber. IEPC-99-083. Proceedings of the 26th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, 17-21 October, 1999.

68. Ионные инжекторы и плазменные ускорители / под ред. А.И. Морозова. Москва: Энергоатомиздат, 1990, с.56-67.

69. Britton, М., Waters, D., Messer, R., Sechkar, E., Banks, B. Sputtering Erosion Measurement on-Boron Nitride as a Hall Thruster Material. NASA/TM-2002-211837 Available from NASA Center for Aerospace Information 7121 URL: http://gltrs.grc.nasa.gov.

70. Gamier Y., Viel V., Roussel J.-F., Bernard J. Low-energy xenon ion sputtering of ceramics investigated for stationary plasma thrusters. // J. Vac. Sci. Technol. 1999. — Vol.17. - #6. -P.3246-3254.

71. Горшков O.A ., Беликов M .Б ., Ризаханов P .H ., Шагайда A.A. Экспериментальное исследование свойств материалов с повышенной скоростью распыления НТО / Центр Келдыша , Инв. №4152, 2004.

72. Горшков О.А., Беликов М.Б., Ризаханов Р.Н., Шагайда А.А «Разработка методики ускоренных ресурсных испытаний. Экспериментальное исследование эффективности и достоверности методики» НТО / Центр Келдыша, Инв. №4310, 2005.

73. Wilbur P.G., Kaufman H.R. Double Ion Production in Argon and Xenon Ion Thrusters. // Journal of Spacecraft and Rockets. 1979 - vol.16. - #4. - p: 264-267.

74. Баркалов E.E., Веселовзоров A.H., Погорелов A.A., Свирский Э.Б., Смирнов В'.А. Компонентный состав пучка стационарного плазменного двигателя СПД-100 // ПТЭ. 2008.- №2 - с.113-117.

75. Абашкин В:В., Васин А.И., Ганкин В.И., Ловцов А.С. К вопросу оценки тепловых потерь в стационарных плазменных двигателях, работающих на повышенных напряжениях. // Космонавтика и ракетостроение. — 2008. №1(50). - с.43-50.

76. Albaréde L., Bouchoule A., Lazurenko A., Kim V., Kozlov V., Skiylnikov A.

77. Бугрова А.И., Ермоленко B.A., Нискин B.T., Соколов А.С. Спектральные характеристики энергии излучения плазмы УЗДП // Теплофизика высоких температур. 1981. - т. 19. - №2. - с.428.

78. Архипов Б.А., Гниздор Р.Ю.к, Масленников Н.А., Морозов А.И. Аномальная эрозия диэлектрика под действием плазменного потока // Физика плазмы. 1992. - т. 10. -вып.9- с. 1241-1244.

79. Морозов А.И., Курочкина В.А. О динамике макровозмущений поверхности при ионной бомбардировке //ЖТФ. 1999 -т.58. - вып.Ю, с.1973-1978.

80. Физика газового разряда / Ю.П. Райзер. Москва: Наука, 1992, с.86-91, с. 433.

81. Горшков O.A., Шагайда A.A. Метод определения коэффициентов эффективности плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов. // ПЖТФ. 2008 - Т.34. -Вып.4. - С. 37-43.

82. Кардашев Б.К., Смирнов Б.И., Singh D., Goretta К.С., de Arellano-Lopez A.R. Внутреннее трение и модуль Юнга волоконных монолитов SÍ3N4/BN при различных уровнях амплитуд колебательной деформации. // ФТТ. — 2003. — т.45. В.З — с. 20102014.

83. Abashkin V.V., Ilyin A.A., The Investigation Of Possibilities Of Concentrated Electron Beam Control In The Gases Of Atmospheric Pressure. // High Temperature Material Processes An International Journal. 2004 - vol.8. - №1-4. - P. 313-319.

84. Электронно-пучковая плазма. / B.JI. Бычков, M.H. Васильев, A.C. Коротеев. -Москва: изд. МГОУ, А/О "РосВузНаука", 1993 г, с.64.

85. Ильин A.A. «Экспериментальное исследование потока электронно-пучковой плазмы в плотном газе». Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук. МФТИ. Москва. 2003 г. с.38.