ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2009, том 47, № 2, с. 299-306
УДК 533.9:537.52
ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ потоков МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ ИМПУЛЬСНОГО СТРУЙНОГО ДИАФРАГМЕННОГО РАЗРЯДА В ВАКУУМЕ
© 2009 г. Е. В. Калашников, С. Н. Рачкулик
НИИ комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем, г. Сосновый Бор
Поступила в редакцию16.10.2007 г.
Описан новый способ получения потока мелкодисперсных частиц на основе импульсного струйного диафрагменного разряда (СДР) в вакууме. Данный метод позволяет получать высокоскоростные, до 30 км/с и выше потоки устойчивых микрочастиц различного химического состава размером от 0.1 мкм до 900 мкм в вакуумных условиях (рвак = 10-4-1.0 Па). Показана возможность использования данного метода для моделирования совместного воздействия на поверхность оптических материалов потоков микрометеороидов и мелкодисперсных частиц антропогенного загрязнения космического пространства различных размеров и скоростей на низких околоземных орбитах.
РДСБ: 47.65.-d; 81.15.Cd
ВВЕДЕНИЕ
При длительной эксплуатации космической техники становится заметной деградация характеристик поверхности материалов оптико-электронных систем и теплозащитных покрытий, подвергшихся воздействию микрочастиц различных размеров (от долей микрометра до миллиметра), движущихся со скоростями порядка десятков км/с относительно Земли. Среди частиц как метеоритного происхождения, так и появившихся в результате антропогенного загрязнения околоземного космического пространства, особенно на низких околоземных орбитах (на высотах 200-300 км), количество микрочастиц с размерами меньше одного миллиметра оценивается величиной, на несколько порядков большей числа осколков размерами больше 10 см в поперечнике, и в процентном соотношении составляет 99% от общего количества осколков, существующих в околоземном пространстве. К тому же антропогенное загрязнение околоземного пространства обусловливает устойчивую тенденцию роста числа микрочастиц всех размеров. Например, по результатам измерений на космическом летательном аппарате многоразового использования "Спейс Шаттл" концентрация таких микрочастиц за десять лет увеличилась на три порядка.
Одним из основных методов, используемых в исследовании воздействия высокоскоростных потоков микрочастиц, является метод экспериментального моделирования [1]. Его применение становится особенно актуальным, когда требуется оценить совместное воздействие на мишень частиц различных размеров и скоростей. Разумеется, что такой сгусток падающих частиц должен
быть охарактеризован распределениями частиц по размерам и скоростям для конкретного места расположения мишени. Такие данные позволяют обосновать соответствие результатов испытаний тем или иным условиям орбитального полета космического аппарата (КА).
Известны способы получения потока микрочастиц [2], когда для образования плазменного потока с микрочастицами используют электрический взрыв проводников, например фольги или проволочки. Устройства для реализации этих способов состоят из разрядной камеры и импульсного плазмотрона, содержащего источник питания, включающий конденсаторную батарею, коммутатор и электроды, соединенные взрываемым проводником (например, фольгой). Продукты взрыва образуют гетерофазный поток плазмы с мельчайшими частицами материала фольги. При укладке на фольгу порошковых частиц гетерогенность потока возрастает. Наиболее высокую скорость в импульсном потоке имеет гомогенная часть потока плазмы, которая может достигать 10 км/с. Скорость микрочастиц при таком способе формирования гетерофазного потока почти на порядок меньше. Недостатками данного способа и устройства для его осуществления являются ограниченный выбор плазмообразующего материала, относительно невысокие скорости микрочастиц и невозможность управлять процессами формирования и ускорения частиц.
Ранее нами был разработан способ получения высокодисперсных частиц [3], включающий получение потока микрочастиц при высокотемпературной эрозии плазмообразующего материала в импульсном струйном диафрагменном электри-
ческом разряде в газодинамическом (ГД) режиме течения струй плазмы. Однако данный способ не позволяет иметь устойчивые структуры, размеры которых превышают 10 мкм, и скорость потока таких микрочастиц не может быть выше 1.0 км/с.
МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ ПОТОКА МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ
НА ОСНОВЕ СТРУЙНОГО ДИАФРАГМЕННОГО РАЗРЯДА В МГД-РЕЖИМЕ
В основе данного метода [4] лежит использование струйного диафрагменного разряда, сформированного в магнитогазодинамическом (МГД)-режиме течения струй плазмы на межэлектродном промежутке при условии
У'оМГД < ]0 < У'оразр • (1)
Здесь ;0МЩ - плотность тока в отверстии диафрагмы, соответствующая переходу течения плазмы струй в МГД-режим в А/ем2; ]0 - текущее значение плотности тока в отверстии диафрагмы. Данная величина определяется из соотношения
}о = г / П Г 00,
(2)
где г - величина тока разряда в А; г0 - радиус отверстия диафрагмы в см; ,/0разр - плотность тока в отверстии диафрагмы, соответствующая пределу механической прочности аразр материала диафрагмы в А/ем2.
При этом микрочастицы общей массой тх получали при выполнении условия
АН0 > АН*, (3)
где Ай0 - удельная энтальпия на оси в отверстии диафрагмы в Дж/г; АН* - удельная теплота разрушения (абляции) материала диафрагмы в Дж/г.
Общую массу микрочастиц тх определяли из соотношения
т,
ю Хи
(4)
мы, омический нагрев и перенос энергии излучением в приближении лучистой теплопроводности. Также в систему входили уравнения Максвелла, где вместо закона Кулона использовался закон Ома с учетом индукционного тока, обусловленного движением плазмы. Анализ решения этой системы уравнений, лежащей в основе теоретического исследования физики сильноточных электроразрядных источников света, проводился аналогично [5]. При решении системы уравнений магнитной газодинамики для МГД-режима струйного диафрагменного разряда были получены аппроксимирующие выражения и рассчитаны все необходимые удельные параметры плазмы в отверстии диафрагмы: АН0, тъ, р0, Укр, Айкр, Ат, Хгаз,
P0, Т pпогр, pкр, ^ду, Урад, Л.
Затем проводился электротехнический расчет параметров импульсного источника питания. Для импульса тока разряда заданной длительности Химп, амплитуды г0 и формы на основе результатов расчета осуществлялся выбор межэлектродного промежутка Ь, величины зарядного напряжения и0 конденсаторной батареи емкостью С0, индуктивности контура Ьк, сопротивления контура Як и сопротивления нагрузки ^нагр.
Увеличение скорости и плотности выдуваемой из отверстия плазмообразующей диафрагмы струи было получено в условиях соблюдения баланса энергии в МГД-режиме. При МГД-режиме температура плазмы на оси струи достигает своего максимального значения, которое в свою очередь зависит от геометрических размеров отверстия диафрагмы. Магнитное давление Рмагн зависит от тока (Рмагн ~ г2), как и вводимая электрическая мощность (^эл ~ г2). При этом баланс энергии соблюдается без увеличения удельной энтальпии и роста температуры плазмы.
Скорость истечения плазменного потока в окружающую среду (вакуум) в критическом сечении Укр вблизи края отверстия диафрагмы (среза расходного сопла) определялась из соотношения
Укр = 724г'0'22/(0.9 Го )°'33,
(5)
где ю - средняя скорость уноса массы материала диафрагмы в г/с; Химп - длительность импульса тока разряда в секундах.
Сначала выбирался плазмообразующий материал диафрагмы по известной скорости уноса массы ю, теплоте разрушения (абляции) материала АН* и пределу механической прочности аразр. Задавая толщину 210 и диаметр отверстия 2г0 в диафрагме, из условия Рмагн > Ркр определяли плотность тока ]0 для реализации МГД-режима разряда. Исходя из заданных величин, записывалась система уравнений радиационной магнитной газовой динамики, в которой были учтены электромагнитная сила, действующая на единичный объем плаз-
где г - величина тока разряда в А; г0 - радиус отверстия в диафрагме в см.
За время газообмена Хгаз в отверстии диафрагмы в поток вдуваются микрочастицы, масса которых составляет
Ат ~ юхгаз [г],
(6)
где ю - средняя скорость уноса массы материала диафрагмы в г/с; Хгаз - время газообмена в отверстии диафрагмы на квазистационарной фазе разряда в секундах.
Ранее было экспериментально установлено [6], что при росте величины тока г разряда струк-
ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ потоков
301
тура и динамика плазменной струи определяются в первую очередь магнитными силами тока разряда на межэлектродном промежутке. При росте плотности тока выше некоторой величины у0мгд нами обнаружено наличие осевой составляющей И1 в распределении напряженности магнитного поля Н в струе диафрагменного разряда, сравнимой по величине с азимутальной составляющей напряженности магнитного поля Иф. [7]. Это приводит к закручиванию приосевой зоны струи и обеспечивает увеличение как концентрации микрочастиц в потоке, так и времени взаимодействия микрочастиц с гомогенной частью потока.
Также экспериментально установлено, что в отверстии диафрагмы в результате сильного радиального сжатия азимутальным магнитным полем тока диаметр токового канала уменьшается на ~10-12%, а толщина пограничного слоя в отверстии между токовым каналом и стенкой возрастает.
Увеличение скорости продува токового канала получали на участке диафрагма-кольцевой электрод для плазменной струи, истекающей из отверстия со сверхзвуковой скоростью, как из расходного сопла. дополнительный разгон за счет электромагнитного механизма ускорения плазмы достигался выбором диаметра отверстия 2Я в кольцевых электродах таким образом, чтобы площадь сечения потока у кольцевого электрода была значительно больше по сравнению с площадью сечения потока в критическом сечении струи у диафрагмы.
Скорость плазменного потока Уструи определялась из соотношения
V = Vгд + А VЭм,
г струи г г >
(7)
АVЭм = ццо г'2( 4пю) 11п (Я / г0),
(9)
фрагмы в г/с; Я - радиус отверстия кольцевого электрода в м; г0 - радиус отверстия диафрагмы в м.
Нами установлено, что микрочастицы эрози-рующего вещества, выдуваемые из пограничного слоя, являются устойчивыми к
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.