|
Первый шаг к прогнозированию срока службы электрических космических двигательных установок
|
|
|
|
Электрические космические двигательные установки используют атомы под напряжением для создания тяги. Высокоскоростные пучки ионов ударяются о графитовые поверхности двигателя, разрушая их с каждым ударом все больше и больше, и являются основным фактором, ограничивающим срок службы системы. Когда ионные двигатели проходят наземные испытания в закрытой камере, рикошетирующие частицы углерода от стенок графитовой камеры также могут повторно откладываться обратно на поверхности двигателя. Это изменяет измеренные рабочие характеристики подруливающего устройства.
|
|
|
|
Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейне использовали данные экспериментов в камере низкого давления и крупномасштабных вычислений, чтобы разработать модель, позволяющую лучше понять влияние ионной эрозии на углеродные поверхности — первый шаг в прогнозировании ее выхода из строя. «Нам нужна точная оценка скорости ионной эрозии графита, чтобы предсказать срок службы двигателя, но испытательные центры сообщают о различной скорости распыления, что приводит к большим неопределенностям в прогнозах», — сказал Хай Тран, доктор философии. студентка факультета аэрокосмической техники UIUC.
|
|
|
Тран сказал, что сложно воспроизвести космическую среду в лабораторной камере, потому что трудно построить достаточно большую камеру, чтобы избежать взаимодействия ионов с поверхностью на стенках камеры. И хотя графит обычно используется для решетки ускорителя и крышек полюсов двигателя, нет единого мнения о том, какой тип графита наиболее устойчив к эрозии, известной как распыление. «Основная проблема при тестировании ионного двигателя в камере заключается в том, что двигатель постоянно выбрасывает ионы ксенона, которые также сталкиваются со стенками камеры, сделанными из графитовых панелей, но в космосе стен камеры нет», — сказал Тран.
|
|
|
|
«Когда эти ионы ксенона ударяются о графитовые панели, они также выбрасывают атомы углерода, которые повторно осаждаются на решетках ускорителя. Таким образом, вместо того, чтобы решетка становилась все тоньше и тоньше из-за эрозии двигателя, некоторые люди наблюдали в экспериментах, что решетки со временем становятся толще. потому что углерод возвращается от стенок камеры». Моделирование устранило ограничения и неопределенности в экспериментальных данных, и исследователи получили представление о критическом явлении.
|
|
|
|
«Будь то пиролитический графит на сетчатой ионной оптике, изотропный графит на крышках полюсов, покографит или анизотропный графит на стенках камеры, наше моделирование молекулярной динамики показывает, что скорости и механизмы распыления идентичны для всех этих различных эталонных структур. — сказал Гек Бенг Чу, советник Трана. Он сказал, что процесс распыления создает уникальную углеродную структуру во время процесса бомбардировки. «Когда ионы приходят и повреждают поверхность, они превращают поверхность в аморфную структуру, независимо от исходной углеродной структуры», — сказал Чу. «В итоге вы получаете напыленную поверхность с такими же уникальными структурными характеристиками. Это один из основных выводов, которые мы наблюдали в ходе нашего моделирования».
|
|
|
|
Чу сказал, что они даже пробовали его с алмазом. Несмотря на гораздо меньшую начальную пористость и более жесткую конфигурацию связки, они получили одинаковую напыленную структуру. «Модель, которую мы разработали, связывает результаты моделирования молекулярной динамики с экспериментальными данными», — сказал Чу. «Следующее, на что мы хотим обратить внимание, — это эволюция морфологии поверхности с течением времени по мере того, как вы вводите в систему все больше и больше ионов ксенона. Это имеет отношение к ионным двигателям для исследования дальнего космоса».
|
|
|
|
Источник
|
