Обґрунтування параметрів газодинамічного захисту катодів плазмотронів для наземних випробувань літальних апаратів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

цегельник Євген Володимирович

УДК 519.63 : 533.9.07

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ГАЗОДИНАМІЧНОГО ЗАХИСТУ КАТОДІВ ПЛАЗМОТРОНІВ ДЛЯ НАЗЕМНИХ ВИПРОБУВАНЬ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ

Спеціальність 05.07.02 - проектування, виробництво та випробування літальних апаратів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2010

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Роботу виконано в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, доцент

Планковський Сергій Ігорович,

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», м. Харків,

професор кафедри технології виробництва літальних апаратів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Риженко Олександр Іванович,

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», м. Харків, професор кафедри проектування літаків та вертольотів;

кандидат технічних наук

Лапотко Василь Михайлович, ДП «Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро «Прогресс» ім. академіка О.Г. Івченка, м. Запоріжжя, провідний інженер.

Захист відбудеться «26» листопада 2010 р. о 14 ⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розіслано «25» жовтня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.М. Застела

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Гостра потреба в створенні потужних плазмових генераторів (плазмотронів) виникла наприкінці 50-х років ХХ століття з початком освоєння космічного простору і була викликана необхідністю моделювання умов входження космічних апаратів у щільні шари атмосфери.

Проблема теплових навантажень в авіаційно-космічній техніці пов'язана з необхідністю дослідження взаємодії матеріалів авіаційно-космічного призначення з високотемпературним газовим потоком, хімічний склад якого відрізняється від складу атмосфери за нормальними умовами. Рівень температури повітря за фронтом ударної хвилі обумовлює вимоги до рівня температур на стенді теплових випробувань і є найбільш важливою характеристикою.

У наземних випробуваннях моделей і елементів конструкцій літальних апаратів не вдається одночасно відтворити всі властивості гіперзвукового потоку. Тому зазвичай проводять роздільне моделювання силового (аеродинамічного) й теплового впливу. Установки електродугового нагрівання газів (плазмотрони) по суті є єдиним джерелом теплової енергії для стендів наземних випробувань літальних апаратів, які здатні поєднати одночасно імітацію як теплових навантажень, так і складу газового середовища.

Основним недоліком сучасних електродугових плазмотронів, якими устатковуються такі стенди, є забруднення потоку продуктами ерозії електродів, недостатній діаметр газових струменів, нерівномірність розподілу параметрів за їхнім перетином.

Удосконалення стендів для теплових випробувань ЛА є особливо актуальним у зв'язку з тим, що останнім часом активізувався інтерес до створення гіперзвукових літальних апаратів (ГЛА) як військового, так і цивільного призначення. Між відсіком космічного апарата, який повертається на Землю, і ГЛА є багато відмінностей. Для ГЛА пріоритетним є дальність польоту й маса корисного навантаження. На відміну від відсіків космічних апаратів гіперзвуковий літак знаходиться у тривалому горизонтальному польоті в атмосфері Землі з постійною швидкістю. Теплові навантаження на ГЛА стають уже настільки значними, що стають актуальними нові підходи як у матеріалознавстві, так і в процесах випробувань теплозахисних матеріалів.

Одним із перспективних напрямків створення малоерозійних електродугових плазмотронів є застосування порожнистих термоемісійних катодів, розроблених останніми роками в Національному аерокосмічному університеті «ХАІ».

Для цих катодів основним фактором, що визначає їхню працездатність, є отруєння емітера, викликане хімічною взаємодією з кисневмісними газами. Єдиним засобом захисту таких емітерів є подавання потоку інертного газу. Дотепер принципи такого захисту стосовно завдань забезпечення теплових випробувань ЛА не було розроблено. Тому дослідження, спрямовані на удосконалення стендів наземних випробувань ЛА, є актуальними й мають велике практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В основу дисертації покладено матеріали, що узагальнюють дослідження, виконані автором у межах реалізації держбюджетних тем Міністерства освіти й науки України: Д/Р 0104U003145 «Розроблення методів проектування та технологічних процесів виготовлення високоресурсних плазмових генераторів»; Д/Р 0106U001047 «Розроблення наукових основ проектування плазмових генераторів для переробки відходів виробництва й споживання», а також за проектами, виконаними за грантами ДФФД України: Д/Р 0107U010323 «Розроблення наукових основ для створення сильнострумових плазмових генераторів з викидом плазми в атмосферу»; Д/Р 0108U007559 «Дослідження умов забезпечення високого ресурсу термокатодних вузлів плазмових генераторів з викидом плазми в атмосферу».

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розроблення науково обґрунтованих принципів газодинамічного захисту малоерозійних катодів плазмотронів для тривалих теплових випробувань літальних апаратів.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі завдання.

1. Виконати аналіз тенденцій розвитку ЛА, які мусять працювати при високих теплових навантаженнях, на основі його результатів сформулювати вимоги до дугових плазмових генераторів для стендів теплових випробувань.

2. Запропонувати критерії й розробити аналітичні моделі для аналізу ефективності газодинамічного захисту катодів плазмотронів стендів теплових випробувань ЛА; на їх основі створити інженерні методики вибору параметрів газодинамічного захисту.

3. Розробити комплексні математичні моделі для визначення параметрів систем газодинамічного захисту катодів у середовищі CAD/CAE-пакетів, сформулювати завдання й розробити методи проектування цих систем на різних етапах робочого циклу.

4. Розробити практичні рекомендації для проектування та принципові технічні рішення із вдосконалення плазмотронів стендів теплових випробувань ЛА.

Об'єкт дослідження - дугові плазмові генератори стендів для теплових випробувань елементів конструкцій літальних апаратів.

Предмет дослідження - способи ефективного газодинамічного захисту катодів плазмотронів стендів теплових випробувань ЛА, методи й моделі, що забезпечують науково обґрунтований вибір його параметрів.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети і одержання основних результатів дисертаційної роботи використовувалися експериментальні методи дослідження термоемісійних властивостей матеріалів, методи математичного моделювання, аналітичні й числові методи розв'язання задач математичної фізики. Під час виконання числових розрахунків використовувалися сертифіковані розрахункові пакети на основі методу скінченних елементів, під час експериментальних досліджень - методи спектроскопії і оптичні методи виміру температури.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі вперше проведено комплекс досліджень, спрямований на вирішення важливого науково-технічного завдання щодо забезпечення ефективного газодинамічного захисту катодів плазмотронів стендів для теплових випробувань ЛА. Наукова новизна отриманих результатів полягає в такому.

1. Для систем газодинамічного захисту катодів уперше сформульовано й одержано аналітичні розв'язки задач розрахунку складу атмосфери при дифузії активних газів у зустрічному потоці захисного газу. Для оцінювання ефективності захисту запропоновано застосовувати критерій забезпечення докритичного значення парціального тиску активних газів, який визначається за результатами випробувань матеріалу емітера катода на отруєння.

2. Уперше сформульовано проблему забезпечення ефективного захисту катодів плазмотронів на перехідних етапах робочого циклу як задачу оптимального проектування на основі математичного моделювання течії багатокомпонентного газового середовища з урахуванням введених кількісних критеріїв оцінювання складу атмосфери, виходячи з термоемісійних властивостей матеріалу катода.

3. Уперше запропоновано застосовувати метод R-функцій для аналітичного завдання місця й інтенсивності об'ємних джерел при розв'язанні задач розрахунку параметрів течії, що в порівнянні із традиційним підходом, заснованим на виокремленні підобластей, в яких діє джерело, з подальшим зшиванням сіток, забезпечує більшу обчислювальну сталість і ефективність.

4. Одержав подальший розвиток метод проектування катодних вузлів в інтегрованих CAD/CAE-системах із застосуванням математичних моделей, що містить кількісне оцінювання ефективності газодинамічного захисту. На відміну від раніш відомих моделей запропоновано враховувати нагрівання газового потоку електричною дугою, а також процеси випромінювання й залежність характеристик компонентів суміші від температури для визначення параметрів газодинамічного захисту на робочих режимах стендів для теплових випробувань ЛА.

Практичне значення одержаних результатів. Практичну цінність дисертаційної роботи мають такі основні результати.

1. На основі одержаних аналітичних рішень запропоновано інженерні методики проектування систем газодинамічного захисту катодів плазмотронів для стендів теплових випробувань ЛА. Розроблено програми для моделювання багатокомпонентних течій, включаючи параметричні моделі плазмотронів, які можуть бути використані при створенні плазмового устаткування.

2. Запропонований у роботі підхід для аналітичного завдання об'ємних джерел може бути використаний при числовому розв'язанні інших задач математичної фізики незалежно від характеру джерела (маси, енергії й т.ін.), виходячи з досвіду розв'язання задач у дисертаційній роботі, при цьому слід очікувати істотного скорочення обчислювальних витрат.

3. Обґрунтовано нові технічні рішення в області конструкції плазмотронів для стендів теплових випробувань ЛА. У їхньому складі запропоновано використовувати малоерозійні порожнисті катоди на основі імпрегнованих систем W+Ba_xMe_yMe_zO_v (Me = Sr, Hf, Zr).

Результати дисертаційної роботи прийнято у виробництво ВАТ «Турбосталь». Створено науково-технічну базу, яка використовується для виконання науково-дослідних робіт і підготовки фахівців у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «ХАІ».

Особистий внесок здобувача. У наведеній дисертаційній роботі внесок автора полягає в обґрунтуванні загальної концепції роботи; формулюванні мети й завдань дослідження; виборі підходів для дослідження поставленого завдання; аналізуванні газодинамічних характеристик двокомпонентної суміші газів (Ar + повітря); дослідженні процесів поздовжньої взаємної дифузії повітря в потоці аргону, а також оптимізації конструкції плазмотрона. Здобувачеві належать основні ідеї дисертаційної роботи, положення, що виносяться на захист, а також загальні висновки й результати.

Апробація результатів дисертації виконувалась на засіданнях кафедр технології виробництва літальних апаратів, фізики, а також науково-технічної ради Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут». Основні положення й результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми створення й використання авіаційної техніки» (Харків, 2004 р.); міжнародних науково-технічних конференціях «Інтегровані комп'ютері технології в машинобудуванні (ІКТМ'2004, ІКТМ'2005, ІКТМ'2007)» (Харків, 2004, 2005, 2007 рр.); XI, XII міжнародних конгресах двигунобудівників (сел. Рибаче, АР Крим, 2006, 2007 рр.); міжнародних науково-технічних конференціях «Проблеми створення та забезпечення життєвого циклу авіаційної техніки» (Харків, 2006 - 2008 рр.); XVI Міжнародній конференції «Нові технології в машинобудуванні» (сел. Рибаче, 2006 р.), Міжнародному симпозіумі «Проблеми вдосконалювання електричних машин й апаратів. Теорія й практика (SIEMA'2007)» (Харків, 2007 р.); V Міжнародній науково-практичній конференції «Дослідження, розроблення й застосування високих технологій у промисловості» (Санкт-Петербург, 2008 р.).

Публікації

За темою дисертації опубліковано 15 статей (одна без співавторів) у науково-технічних журналах і збірниках наукових праць, які входять у перелік ВАК України (бюл. № 4, 5, 1999 р.), 12 матеріалів і тез конференцій.

Структура й обсяг роботи

Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів і висновків. Повний обсяг дисертації становить 174 сторінки, у тому числі: 82 рисунки на 42 сторінках, 3 таблиці на 2 сторінках, список використаних джерел із 110 найменувань на 11 сторінках, 2 додатки на 3 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладено сучасний стан проблеми й обґрунтовано актуальність дослідження, показано наукову новизну, практичну цінність роботи, особистий внесок здобувача, наведено відомості про апробацію роботи, публікації, структуру й обсяг дисертації.

У першому розділі проаналізовано тенденції розвитку гіперзвукової авіації. Показано, що проблема теплових навантажень в авіаційно-космічній техніці пов'язана з необхідністю дослідження взаємодії матеріалів авіаційно-космічного призначення з високотемпературним газовим потоком, хімічний склад якого може відрізнятися від складу атмосфери при нормальних умовах. Проаналізовано явища, що обумовлюють рівень теплових навантажень і склад газового середовища при великих числах Маха. Показано, що температура повітря за фронтом ударної хвилі обумовлює верхній рівень температурного поля на стенді теплових випробувань і є найбільш важливою характеристикою процесу (рис. 1). У роботі проаналізовано джерела теплових потоків у стендах наземних випробувань елементів конструкцій ЛА. Зазначено, що установки електродугового нагрівання газів (плазмотрони) по суті є єдиним джерелом теплової енергії для стендів наземних випробувань літальних апаратів, який здатний поєднати одночасно імітацію, як теплових навантажень, так і складу газового середовища. Щоб вдосконалити стенди для теплових випробувань ЛА, сформульовано основні вимоги до установок такого класу, до основних з яких можуть бути віднесені: забезпечення заданого хімічного складу потоку (з мінімізацією продуктів ерозії електродів); необхідної тривалості випробувань і стійкості роботи на перехідних режимах.



Рис. 1. Картина течії гіперзвукового потоку поблизу точки гальмування затупленого тіла: 1 - ударна хвиля; 2 - зона нев'язкої течії за ударною хвилею; 3 - приграничний шар; 4 - затуплене тіло; 5 - лінія переходу через швидкість звуку; 6 - точка гальмування; - товщина стислого шару; - товщина приграничного шару; - температура потоку за ударною хвилею; - кутова координата; і - температура й швидкість потоку; і - температура й швидкість поза приграничним шаром

З урахуванням цих вимог розглянуто можливості застосування існуючих плазмотронів щодо вдосконалення стендів для теплових випробувань ЛА.

Показано, що одним із перспективних напрямків створення малоерозійних електродугових плазмотронів є застосування порожнистих термоемісійних катодів, розроблених останніми роками в Національному аерокосмічному університеті «ХАІ».

Для цих катодів основним фактором, що обумовлює їхню працездатність, є отруєння емітера, викликане хімічною взаємодією з кисневмісними газами. Єдиним способом захисту таких емітерів є газодинамічний захист потоком інертного газу. Дотепер принципів такого захисту щодо задач забезпечення теплових випробувань ЛА не було розроблено.

Для вирішення цих проблем у дисертації сформульовано мету й задачі дослідження.

Другий розділ роботи присвячено розробленню принципів газодинамічного захисту термокатодів плазмотронів для стендів теплових випробувань ЛА. Дослідження, проведені в Національному аерокосмічному університеті «ХАІ», показали, що найбільш перспективними матеріалами для виготовлення емітерів таких плазмотронів є імпрегновані системи вигляду W + Ме_xBa_yMe_zO_v, (Me = Gf, Sr, Zr), що мають перевагу над відомими до цього матеріалами не менш ніж у чотири рази за густиною струму емісії та майже в 100 разів - за стійкістю до отруєння.

Для цих матеріалів під час експериментальних досліджень було визначено залежності густини струму емісії від парціального тиску повітря, що дало можливість встановити його граничний парціальний тиск з урахуванням змінення температури катода. Проаналізовано основні джерела натікання атмосферного повітря в порожнину катода.

У роботі вперше сформульовано задачу щодо визначення складу атмосфери в каналі плазмотрона при дифузії повітря в зустрічному потоці захисного газу. Побудовано фізико-математичну модель дифузійного процесу натікання атмосферного повітря (1), розв'язування якої (2) дає можливість вибрати довжину газодинамічного затвора атмосферного повітря в каналі викиду нагрітого газу (рис. 2):

, (1)

. (2)



Рис. 2. Розподіл парціального тиску атмосферного повітря в різних перерізах каналу плазмотрону: - = 0,01 м; - = 0,04 м; - = 0,05 м; - = 0,07 м; - = 0,08 м; - = 0,09 м

Аналітичне розв'язання системи рівнянь руху Навьє - Стокса для потоку плазмо твірного і одночасно захисного інертного газу дало можливість розробити інженерну методику розрахунку параметрів газодинамічного захисту при ламінарній течії. Одержані залежності дають можливість у першому наближенні визначити необхідну величину витрати захисного інертного газу для забезпечення ефективного захисту термокатода, а також основні параметри: розподіл поздовжньої швидкості за радіусом каналу; перепад тиску в потоці інертного газу в зливному каналі плазмотрона; середнє значення швидкості газу у поперечному перерізі каналу плазмотрона; значення числа Рейнольдса; розподіл поздовжньої складової швидкості газового потоку уздовж каналу плазмотрона.

Розглянуто особливості газодинамічного захисту в плазмотронах за умови вихрової подачі газу. Показано, що при підвищенні частоти обертання потоку в каналі утворюються зони рециркуляції, які обумовлюють винос дифундуючого уздовж стінок каналу повітря в прикатодний простір. На рис. 3 зображено графік для визначення зон рециркуляції, з якого випливає, що при частоті обертання потоку менше 0,7 Гц зворотний потік не виникає. На рис. 4 зображено картину формування зворотного потоку в каналі плазмотрона.

Таким чином, на основі викладених у другому розділі результатів досліджень було установлено механізм проникнення активних газів у прикатодний простір - дифузія уздовж стінок каналу плазмотрона, а також обґрунтовано вибір способу подачі захисного газу - аксіальний потік уздовж осі плазмотрона.

Рис. 3. Графік для визначення ділянки каналу, охопленого зворотним потоком

Рис. 4. Профіль поздовжньої швидкості у перерізі катодного вузла

Однак аналітичні залежності для визначення параметрів газодинамічного захисту було одержано під час великих спрощень задачі течії багатокомпонентного потоку в каналі. Тому для проектування проточної частини плазмотрона і уточнення параметрів подавання захисного газу в роботі запропоновано використовувати метод, орієнтований на застосування сучасних CAD/CAE-систем (рис. 5), розроблений у Національному аерокосмічному університеті «ХАІ».

Рис. 5. Схема взаємодії модулів інтегрованої CAD/CAE-системи при розв'язанні задачі газодинамічного проектування катодних вузлів

Розробленню математичних моделей для вибору параметрів газодинамічного захисту плазмотронів на стартових і перехідних режимах роботи, характерних для теплових випробувань ЛА, а також спрямованих на розрахунок швидкості й температури потоку газу, присвячено третій розділ роботи.



Рис. 6. Поля швидкостей у каналах плазмотронів і залежність осередненого парціального тиску повітря від часу продування в перерізах: Д - вхід у порожнистий катод, ? - середина порожнистого катоду;

а - модель плазмотрона № 1, б - модель плазмотрона № 2, в - модель плазмотрона № 3; 1 - ввід аргону в плазмотрон; 2 - порожнистий катод; 3 - канал плазмотрона; 4 - проміжок між порожнистим катодом і корпусом плазмотрона; 5 - підпалювальний електрод; 6 - задня стінка порожнистого катода, 7 - опірний ізолятор

плазмотрон термокатод літальний апарат

Вибір параметрів газодинамічного захисту ставився як задача оптимального проектування. Цільовими функціями були мінімізація витрати захисного газу й часу продувки за умови дотримання критерію забезпечення докритичного парціального тиску активних газів біля поверхні емітера

.

Варіювалася геометрія проточної частини й величина витрати захисного газу .

Як приклад застосування розробленого підходу, на рис. 6 зображено результати розв'язання задачі проектування проточної частини плазмотрона й визначення часу його передстартового продування. Показано, що конструктивні особливості плазмотронів суттєво впливають на склад атмосфери поблизу емітувальних поверхонь термоемісійних катодів.

На основі виконаного математичного моделювання сформульовано рекомендації до конструювання плазмотронів з термокатодами, зокрема такі, як забезпечення відсутності газових «кишень» при використанні порожнистих катодів і ламініризація течії газу в області катоду.

Математичні моделі течії холодного багатокомпонентного газу використовуються для визначення режимів подачі захисного газу в плазмових генераторах. Такий підхід є виправданим для стартових режимів роботи плазмового устаткування. Однак на робочих режимах наявність інтенсивного джерела тепла (електричної дуги) суттєво впливає як на картину течії, так і на властивості компонентів газової суміші. Для обґрунтованого вибору витрати й способу подавання захисного газу на робочих режимах стендів для теплових випробувань ЛА актуальною залишається проблема розроблення математичних моделей, які враховували б основні особливості течії газів у плазмовому обладнанні - нерівномірність температур, нелінійну залежність характеристик газу від температури та ін.

Крім того, при проектуванні необхідно виконувати вимоги щодо температури й швидкості потоку для плазмотронів, які використовують для теплових випробувань ЛА. Розробці таких моделей присвячено четвертий розділ роботи.

Для розрахунку характеристик течії в каналі плазмотрона (рис. 7) у роботі використано підхід, оснований на поданні електричної дуги у вигляді об'ємного джерела енергії. Ураховували також залежність властивостей газу від температури (рис. 8 - 11).

Рис. 7. Схема тестової задачі

Рис. 8. Залежність теплоємності компонентів від температури

Рис. 9. Залежність динамічної в'язкості компонентів від температури

Рис. 10. Залежність теплопровідності компонентів від температури

Рис. 11. Залежність коефіцієнта дифузії компонентів від температури

Інтенсивність об'ємного джерела визначено з урахуванням Джоулевого нагріву й випромінювання дуги за методикою, запропонованою С.В. Дресвіним:

, (3)

де напруженість поля, яку прийнято за перерізом дуги постійною, за довжиною дуги визначалася за формулою

.

Тут - струм дуги; - електропровідність плазми; - площа перерізу дуги; - питома потужність випромінювання, Вт/м³.

Електропровідність (рис. 12) і питома потужність випромінювання плазми (рис. 13) нелінійно залежать від температури й тому задавалися за допомогою інтерполяції.

Рис. 12. Залежності електропровідності компонентів від температури

Рис. 13. Залежності питомої потужності випромінювання компонентів від температури

Додатковою складністю при розв'язанні цієї задачі методом скінченних елементів було те, що при традиційному підході для задання об'ємних джерел енергії в CFD-пакетах потрібне виділення в розрахунковій області тривимірних підобластей і створення поверхонь розподілу розрахункової сітки (рис. 14). Зшиття сіток за цими підобластями, особливо при різких змінах характеристик течії поблизу поверхні розподілу, призводить до появи обчислювальних погрішностей. При розв'язанні тестових задач це також призводило до числової нестійкості.

Рис. 14. Традиційна технологія зшивки сіток

Рис. 15. Запропонована технологія із застосуванням методу R-функцій

Тому в роботі для застосування в CFD-пакетах уперше запропоновано й реалізовано спосіб аналітичного задання об'ємних джерел, оснований на використанні методу R-функцій (рис. 15). Цей метод, уперше застосований В.Л. Рвачовим, дає можливість будувати рівняння для областей довільної геометричної форми, що мають такі властивості:

(4)

де - межа області .

Після побудови рівняння області , в якій діє об'ємне джерело, для задання його інтенсивності у роботі використано залежність

, (5)

де - функція Хевісайда. З урахуванням (3) і (4) вираз (5) матиме такі значення :

При цьому немає необхідності у виділенні будь-яких підобластей при побудові сітки скінченних елементів. Очевидно, що такий підхід може бути поширено й на випадки з участю різноманітних поверхневих, лінійних і точкових джерел.

Для перевірки ефективності запропонованого підходу тестова задача розв'язувалася двома способами: при традиційному заданні об'ємного джерела з виділенням підобласти й зшиттям сіток та методом, основаним на застосуванні R-функцій.

При розв'язанні задачі з використанням традиційного способу задання об'ємного джерела ітераційний процес кілька разів переривався через обчислювальні помилки, в наслідок чого вдалося одержати розв'язок послідовно вирішуючи три задачі зі зростаючою інтенсивністю джерела. При цьому за початкові умови для кожної наступної задачі використовувалося розв'язання попередньої. Для одержання остаточного розв'язку знадобилося більш ніж 6000 ітерацій.

При заданні джерела за допомогою запропонованого методу на аналогічній сітці й з тим же розміром кроку за часом розв'язок було отримано менш ніж за 2000 ітерацій. Розв'язки, отримані за допомогою різних способів задання об'ємного джерела, кількісно і якісно збігалися. Таким чином, для тестової задачі рекомендований спосіб задання об'ємного джерела на основі застосування методу R-функцій виявився більш ефективним з погляду сталості обчислювального процесу й часу одержання розв'язку. Надалі розроблені моделі використовувалися для розрахунку швидкості й температури потоку газу на виході з плазмотрона й для розрахунку параметрів газодинамічного захисту.

П'ятий розділ роботи присвячено дослідженням експериментальних зразків плазмотронів з порожнистими термокатодами й розробленню технічних рішень зі створення плазмотронів для тривалих теплових випробувань ЛА. Під час виконання роботи використовувалися експериментальні стенди для проведення вакуумних й атмосферних випробувань катодних вузлів. Стенди оснащено системами електроживлення, охолодження, подачі газу, автоматизованою системою управління й реєстрації параметрів.

Випробуючи плазмотрон з порожнистим термокатодом, було виявлено, що час його безперервної роботи становив 300 годин при робочому струмі до 2 кА. Такий результат для порожнистих імпрегнованих термокатодів, що працюють при атмосферному тиску, отримано вперше. Крім того, в межах виконання досліджень за темою цієї роботи застосовувалася методика ресурсних випробувань емітерів на масштабних моделях.

Під час ресурсних випробувань макети працювали в неперервному режимі. За допомогою системи автоматичної реєстрації періодично фіксували параметри робочого струму. Температуру емітеру вимірювали за допомогою оптичного пірометра. Під час випробувань макети порожнистих катодів напрацювали не менш 3000 годин.

Як матеріал для виготовлення емітерів термокатодів рекомендовано використовувати імпрегновані системи вигляду W + Ме_xBa_yMe_zO_v, (Me = Gf, Sr, Zr).

Закінчивши програму досліджень емісійних характеристик, зразки матеріалів витримували при максимальному розжаренні нагрівника протягом понад 100 годин з метою визначення швидкості випаровування матеріалу. Зразки попередньо зважували на аналітичних вагах з точністю до 10^-4 г. Швидкість випаровування запропонованих матеріалів знаходилася в межах 0,5 10^-10…0,4 10^-11 г/(м²•с).

Для стендів теплових випробувань ЛА рекомендовано застосовувати трифазні плазмотрони типу «Зірка» з секціонованими катодними вузлами й порожнистими термокатодами і замиканням дуг на середню точку плазми (рис. 16). Застосування запропонованих матеріалів у таких плазмотронах дає можливість забезпечити майже повну відсутність продуктів ерозії в плазмі, а замикання дуг - уникнути ерозії анода.

Рис. 16. Устаткування камери змішування багатодугового підігрівника та схема змішування течій

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі проведено комплекс досліджень, спрямованих на вирішення важливого науково-технічного завдання щодо розроблення науково обґрунтованих принципів газодинамічного захисту катодів плазмотронів для тривалих теплових випробувань ЛА. При виконанні роботи отримано певні результати.

1. Сформульовано вимоги до плазмотронів для тривалих теплових випробувань ЛА, серед яких за основні виділено такі: забезпечення заданого хімічного складу потоку, що набігає (з мінімізацією продуктів ерозії електродів), необхідність забезпечення тривалих випробувань і стійкості роботи на перехідних режимах. З урахуванням цих вимог виконано аналіз можливості застосування в стендах для тривалих теплових випробувань ЛА існуючих плазмотронів різних схем. Як перспективний варіант обґрунтовано вибір електродугових плазмотронів з порожнистим термокатодом.

2. Для вибору способу й параметрів газодинамічного захисту катодів уперше отримано аналітичні розв'язки задач щодо розрахунку складу атмосфери при дифузії активних газів у зустрічному потоці захисного газу. Для оцінювання ефективності захисту використано критерій забезпечення докритичного значення парціального тиску активних газів, визначеного за результатами випробувань матеріалу емітера катода на отруєння. На основі отриманих розв'язків запропоновано інженерні методики проектування газодинамічного захисту катодів плазмотронів для теплових випробувань ЛА.

3. Проблему забезпечення ефективного захисту катодів плазмотронів на перехідних етапах робочого циклу сформульовано як задачу оптимального проектування на основі моделювання течії багатокомпонентного газового середовища й уведеного кількісного критерію оцінювання атмосфери, виходячи із властивостей матеріалу катода. Розроблено програми для моделювання багатокомпонентних течій, які можуть бути використані при створенні плазмового устаткування, а також параметричні моделі плазмотронів.

4. Набув подальшого розвитку метод проектування катодних вузлів плазмотронів в інтегрованих CAD/CAE-системах із застосуванням математичних моделей з кількісним оцінюванням ефективності газодинамічного захисту. Для вибору параметрів такого захисту на робочих режимах запропоновано враховувати нагрівання потоку дугою, процеси випромінювання й залежність характеристик компонентів газової суміші від температури. Вперше для аналітичного задання місця і інтенсивності об'ємних джерел застосовано метод R-функцій, що забезпечило більшу сталість і обчислювальну ефективність у порівнянні із традиційним підходом, основаному на виділенні підобласті дії джерела з подальшою побудовою й зшиттям розрахункових сіток. Запропонований підхід дав можливість скоротити час розрахунку в три рази.

5. Запропоновано нові технічні рішення в конструкції плазмотронів для теплових випробувань ЛА. Як найбільш перспективну схему для стендів тривалих теплових випробувань ЛА обґрунтовано вибір електродугового плазмотрона змінного струму із замиканням дуг на середню точку плазми. У його складі запропоновано використовувати секціоновані катодні вузли з розподіленою подачею захисного газу й малоерозійні порожнисті катоди на основі імпрегнованих систем W + Ba_xМe_yМe_zО_v (Me = Sr, Hf, Zr). При проведенні ресурсних випробувань масштабних моделей емітерів на макетах підтверджено їхній ресурс на рівні не менше 3000 годин.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кривцов В.С. Нестационарная математическая модель для описания многомерных теплогидравлических эффектов в камере плазмотрона при предстартовой продувке / В.С. Кривцов, С.И. Планковский, Е.В. Цегельник // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии : сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Х., 2004. - Вып. 24. - С. 126 - 130.

2. Состав газа в плазмотроне с ламинарным потоком плазмообразующего инертного газа / В.С. Кривцов, С.И. Планковский, Е.В. Цегельник и др. // Авиационно-космическая техника и технология. - 2005. - № 4 (20). - С. 19 - 24.

3. Газодинамічні характеристики потоку інертного газу в каналі плазмотрона / В.С. Кривцов, С.І. Плaнковський, Є.В. Цегельник та ін. // Наукові вісті НТУУ «Київський політехнічний інститут». - 2006. - № 2. - С. 87 - 99.

4. Оптимізація газодинамічних характеристик дугових плазмотронів з порожнистим катодом / В.С. Кривцов, С.І. Планковський, Є.В. Цегельник та ін. // Наукові вісті НТУУ «Київський політехнічний інститут». - 2006. - №3. - С. 106 -113.

5. Цегельник Е.В. Математическая модель трехмерного закрученного течения в вихревой камере плазмотрона / Е.В. Цегельник // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. - Х. : НАКУ «ХАИ». - 2006. - Вып. 31. - С. 179 - 182.

6. Моделирование вихревого течения газа в плазмотроне с термоэмиссионным катодом / В.С. Кривцов, С.И. Планковский, Е.В. Цегельник, Е.К. Островский // Вісті Академії інженерних наук України. Спец. випуск. - 2006. - № 3 (30) - С. 11 - 15.

7. Максименко В.А. Оптимальные размеры датчиков тепловых потоков при измерениях в высокотемпературных плазменных и газовых струях различной интенсивности / В.А. Максименко, Е.В. Цегельник, С.И. Планковский // Вестник двигателестроения. - 2006. - № 3. - С. 155 - 158.

8. Методика расчета основных газодинамических параметров потока инертного газа в плазмотроне / С.И. Планковский, Е.В. Цегельник, Е.К. Островский, В.А. Максименко // Авиационно-космическая техника и технология. - 2007. - № 7 (43). - С. 94 - 98.

9. Планковский С.И. Диффузия атмосферного воздуха через встречный ламинарный поток инертного газа в плазмотроне / С.И. Планковский, Е.В. Цегельник, Е.К. Островский // Вестн. Нац. техн. ун-та «ХПИ». Тематический выпуск: Проблемы совершенствования электрических машин и аппаратов. - 2007. - № 25 - С. 72 - 84.

10. Планковский С.И. Импрегнированный катод на основе скандата бария / С.И. Планковский, Е.К. Островский, Е.В. Цегельник // Авиационно-космическая техника и технология. - 2008. - №2 (49). - С.78 - 85.

11. Моделирование течений в секционированном катодном узле плазмотрона / С.И. Планковский, О.В. Шипуль, Е.В. Цегельник, В.О. Гарин // Авиационно-космическая техника и технология. - 2008. - № 10 (57). - С. 27 - 33.

12. Планковский С.И. Моделирование течений в катодных узлах плазменного оборудования при описании дуги объемным источником энергии / С.И. Планковский, Е.В. Цегельник, В.О. Гарин // Вестник двигателестроения. - 2010. - № 1. - С. 8 - 15.

13. Цегельник Е.В. Газодинамический затвор атмосферного воздуха в источниках низкотемпературной плазмы - плазмотронах / Е.В. Цегельник, Е.К. Островский, В.О. Гарин // Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении. - 2010. - № 2. - С. 120 - 124.

14. Имитация тепловых нагрузок и состава газовой среды при сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях полета в наземных испытаниях моделей и элементов конструкций летательных аппаратов с помощью плазмотронов / С.И. Планковский, Е.В. Цегельник, Е.К. Островский, Д.А. Брега // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. - Х. : НАКУ «ХАИ». - 2010. - Вып. 45. - С. 109 - 115.

15. Ламинарный пограничный слой в потоке инертного газа в плазмотроне / С.И. Планковский, Е.В. Цегельник, Е.К. Островский, Д.А. Брега // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. - Х. : НАКУ «ХАИ». - 2010. - Вып. 46. - С. 69 - 75.

В працях, написаних у співавторстві, авторові належать:

[1] - розроблення математичної моделі багатокомпонентної течії в катодних вузлах;

[2], [3], [4] - числові результати моделювання складу атмосфери в катодних вузлах та рекомендації щодо режимів подачі захисного газу;

[6] - розроблення математичної моделі вихрової течії в катодних вузлах з порожнистим катодом;

[7] - результати числового моделювання теплових потоків в датчиках при високотемпературних вимірюваннях;

[8], [9] - аналітичні розв'язки задач дифузії повітря в зустрічному потоці інертного газу, методика інженерного розрахунку режимів подачі захисного газу;

[10] - обробка результатів експериментальних досліджень емісійних характеристик;

[11] - розроблення математичної моделі розрахунку складу атмосфери в секціонованих катодних вузлах;

[12] - удосконалена модель розрахунку характеристик газодинамічного захисту на робочих режимах стендів для теплових випробувань ЛА з використанням апарату R-функцій;

[13], [14], [15] - удосконалена методика проектування в інтегрованих CAD/CAE-системах, запропоновані нові технічні рішення щодо конструкції плазмотронів для теплових випробувань ЛА.

АНОТАЦІЯ

Цегельник Є. В. Обґрунтування параметрів газодинамічного захисту катодів плазмотронів для наземних випробувань літальних апаратів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.02 - проектування, виробництво та випробування літальних апаратів. - Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків, 2010.

Дисертацію присвячено розробленню науково обґрунтованих принципів газодинамічного захисту малоерозійних катодів плазмотронів для довготривалих теплових випробувань літальних апаратів.

Дисертація містить результати чисельних й експериментальних досліджень, які базуються на лабораторних методах вивчення термоемісійних властивостей матеріалів, методах математичного моделювання, аналітичних і чисельних методах розв'язання задач математичної фізики. При проведенні чисельних розрахунків використовувалися сертифіковані розрахункові пакети на основі методу скінченних елементів, при експериментальних дослідженнях - методи спектроскопії, а також оптичні методи виміру температури.

Результати дисертаційної роботи прийнято у виробництво ВАТ «Турбосталь». Створено науково-технічну базу, яка використовується при виконанні науково-дослідних робіт і підготовці фахівців у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «ХАІ».

Ключові слова: плазмотрон, теплові випробування, газодинамічний затвор, ламінарний потік, захисний газ, термоемісійний катод, критерій забезпечення докритичного рівня парціального тиску активних газів.

АННОТАЦИЯ

Цегельник Е. В. Обоснование параметров газодинамической защиты катодов плазмотронов для наземных испытаний летательных аппаратов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.02 - проектирование, производство и испытания летательных аппаратов. - Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Харьков, 2010.

Диссертация посвящена разработке научно обоснованных принципов газодинамической защиты малоэрозионных катодов плазмотронов для продолжительных тепловых испытаний летательных аппаратов.

Диссертация содержит результаты численных и экспериментальных исследований. Исследования базируются на лабораторных методах изучения термоэмисионных свойств материалов, методах математического моделирования, аналитических и численных методах решения задач математической физики. При проведении численных расчетов использовались сертифицированные расчетные пакеты на основе метода конечных элементов, при экспериментальных исследованиях - методы спектроскопии, а также оптические методы измерения температуры.

В диссертации получены следующие научные и практические результаты.

При описании газодинамической защиты катодов впервые сформулированы физико-математические модели основных источников натекания отравляющих атмосферных газов в плазмотронах. Получены аналитические и численные решения задач расчета состава атмосферы при диффузии активных газов во встречном потоке аргона на этапе предварительной продувки и рабочего режима. Для оценки эффективности защиты предложено использовать критерий обеспечения докритического значения парциального давления активных газов, определяемого по результатам испытаний материала эмиттера катода на отравляемость.

На основе полученных аналитических решений предложены инженерные методики проектирования систем газодинамической защиты катодов плазмотронов для стендов тепловых испытаний ЛА. Разработаны программы для моделирования многокомпонентных течений, а также параметрические модели плазмотронов, которые могут быть использованы при создании плазменного оборудования.

Проблема обеспечения эффективной защиты катодов плазмотронов на переходных этапах рабочего цикла впервые сформулирована как задача оптимального проектирования на основе математического моделирования течения многокомпонентной газовой среды и введенных количественных критериев ее оценки, исходя из термоэмиссионных свойств материала катода.

Впервые предложено применять метод R-функций для аналитического задания места и интенсивности объемных источников при расчете параметров течений, что по сравнению с традиционным подходом, основанном на выделении подобласти, в которой действует источник, с последующей сшивкой сеток, обеспечивает большую устойчивость и вычислительную эффективность.

Получил дальнейшее развитие метод проектирования катодных узлов в интегрированных CAD/CAE-системах с применением математических моделей, включающий в себя количественную оценку эффективности газодинамической защиты. Предложено учитывать нагрев газового потока электрической дугой, которая моделируется как объемный источник энергии, а также процессы излучения и зависимость характеристик компонентов смеси от температуры.

Рекомендуемый подход для аналитического задания объемных источников может быть использован при численном решении других задач математической физики вне зависимости от характера источника (массы, энергии и т.п.).

Обоснованы новые технические решения в области конструкции плазмотронов для стендов тепловых испытаний ЛА. В их составе предложено использовать малоэрозионные полые катоды на основе импрегнированных систем W + Ba_xMe_yMe_zO_v (Me = Sr, Hf, Zr).

Ключевые слова: плазмотрон, тепловые испытания, газодинамический затвор, ламинарный поток, защитный газ, термоэмиссионный катод, критерий обеспечения докритического уровня парциального давления активных газов.

ABSTRACT

Tsegelnyk Ye.V. Justification of the parameters of the gas-dynamical protection of plasmatron's cathodes for the purpose of flying vehicle's ground tests. - Manuscript.

Ph.D. Thesis in the field of technical sciences for the specialization 05.07.02 - designing, manufacturing and testing of flying vehicle's. - The National Aerospace University named after N. Yе. Zhukovsky «Kharkov Aviation Institute», Kharkov, 2010.

Ph.D. Thesis is devoted to the development of scientific principles of gas-dynamical protection of the little-erosion plasmatron's cathodes for the purpose of long thermal ground tests of flying vehicles.

Ph.D. Thesis contains the results of numerical and natural experiments. The research work is based on the experimental methods of investigation of material's thermal-emission properties, on the methods of mathematical simulation as well as on the analytical and numerical methods of solution of mathematical physic's tasks. It was used the certified FEM programs, methods of spectroscopy, optical methods of thermometry.

The results of the work have been accepted for the manufacturing by the public corp. «Turbostal». The scientific-technical base for the educational purposes as well as for carrying out of scientific works was developed.

Keywords: plasmotron, thermal tests, gas-dynamical lock, laminar stream, shielding gas, thermal-emissive cathode, criterion of insurance of subcritical partial pressure level.

Підписано до друку 20.10.2010

Формат 60х84 1/16. Бум. офс. № 2. Офс. друк

Ум. друк. арк. 1,0. Наклад 100 прим. Замовлення № 377

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ»

61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17

http://www.khai.edu

Видавничий центр «ХАІ»

61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17

izdat@khai.edu

Размещено на Allbest.ru

...