Измеряем плотность плазмы в проекте геликонного двигателя
В 2016 году Хабр рассказал о старте проекта Курчатовского института по созданию прототипа безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД) мощностью 100 кВт. Сегодня этот проект выходит на финишную прямую, и пора измерять плотность плазмы и ускорение ионов, чтобы подобрать оптимальные режимы двигателя. Ведь двигателю придется работать на орбите десятки, а то и сотни часов, и фактическая плотность плазмы должна соответствовать расчетной для достижения требуемых параметров тяги и ресурса.
Кому он нужен, этот геликонный двигатель
Что такое геликонный двигатель. Это один из видов плазменных двигателей, входящих, наряду с ионными двигателями (ИД), в более общий класс так называемых электрических ракетных двигателей.
ГЕЛИКОН (от греч. helix, род. падеж. helikos — кольцо, спираль) — слабо затухающая электромагнитная волна, возбуждающаяся в газовой плазме или плазме твердых тел, находящейся в постоянном магнитном поле.
Далее — зачем вообще нужен плазменный ракетный двигатель. В ракетостроении, начиная с самых первых полетов и по сегодняшний день используются ракетные двигатели на химическом топливе (жидкостные и/или твердотопливные). Из плюсов — у них высокая тяга, позволяющая отправлять многотонные космические аппараты на околоземную орбиту и к планетам Солнечной системы. Из минусов — эти двигатели чрезвычайно прожорливы, и топливо занимает до 99% от возможной полезной нагрузки.
Что важно — для дальних перелетов в глубоком космосе традиционные ракетные двигатели не слишком подходят, т.к. при работе на химическом топливе имеют относительно низкую скорость выброса рабочих газов, не превышающую 5 км/с. Иными словами, с их помощью хорошо разогнать космический аппарат для дальнего полета с высокой скоростью не получится.
Для длительного межпланетного полёта двигатели космического аппарата должны обладать большей скоростью истечения газов (рабочего тела), недоступной для химических ракетных двигателей. Кроме того, очень актуальна задача экономии топлива. Поэтому космической отрасли требуется двигатель с многократно увеличенным удельным энергосодержанием рабочего вещества.
На эту роль уже несколько десятилетий претендуют различные типы электрического (плазменного) двигателя. В плазменном двигателе тяга возникает в результате выброса заряженных частиц, поэтому требуется источник электрической энергии для создания и ускорения заряженных частиц. К примеру, расчетная скорость выброса газов у плазменного двигателя находится в диапазоне от 5 до 50 км/с, т.е. может почти на порядок превышать скорость истечения газов у двигателя на основе химических реакций.
Здесь следует отметить, что в создании плазменных двигателей конструкторы уже давно добились определенного практического успеха. Впервые такой двигатель был применен в 1964 году для ориентации советской автоматической межпланетной станции «Зонд-2». На современных спутниках также можно встретить маломощные плазменные двигатели, выполняющие задачу коррекции аппаратов на орбите, смены позиционирования и для иных небольших перемещений в космосе. Иными словами, идея плазменного двигателя вполне рабочая, но требуется ее масштабировать, создав двигатели с тягой, достаточной для буксировки грузов по орбите или для дальних перелетов.
Геликонный плазменный ракетный двигатель (ГПРД) позиционируется в последнее десятилетие как новое поколение электрических двигателей для передвижения в космосе. Геликон — это название низкочастотной электромагнитной волны, которая возникает в плазме, находящейся во внешнем постоянном магнитном поле.
Большой вклад в популяризацию идеи геликонных двигателей внес Олег Батищев, кандидат физико-математических наук, выпускник и доцент МФТИ, и позже сотрудник Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН. В конце 2000-х Олег Батищев, работая в MIT (Массачусетский Технологический Институт), предложил идею одноступенчатого геликонного двигателя в виде кварцевой трубки с навитой обмоткой для создания магнитного поля и антенной для возбуждения геликонной волны. Поступающий газ ионизируется мощностью, подводимой к антенне, плазма разогревается, и магнитное поле направляет плазменную струю в нужном направлении.
Чтобы популяризовать свою идею, в 2009 году Олег Батищев организовал публичную демонстрацию плазменного двигателя, сделанного из бутылки Кока-Колы и жестяной банки, помещенных в вакуумную камеру. На YouTube сохранилась запись этого эксперимента с макетом мини-геликонного двигателя, хотя видео и не очень хорошего качества. Можно увидеть, как с подачей тока в бутылке загорается свечение, и струя голубой плазмы истекает из отпиленного донышка.
Небольшой итог: геликонный двигатель обладает несколькими преимуществами перед большинством других конструкций электрических ракетных двигателей. В нем отсутствуют электроды, погружаемые в плазму (эти электроды имеют малый ресурс), практически нет эрозии стенок рабочей камеры, можно относительно легко управлять тягой.
Геликонный двигатель без движущихся механических частей и подверженности эрозии может иметь значительный ресурс, и работать, пока он обеспечивается энергией и рабочим телом для создания плазмы.
Следует уточнить, что в геликонном двигателе, в отличии от традиционного реактивного двигателя, разделены источник энергии и рабочее тело. Источник энергии может быть любой — например, солнечная батарея или бортовой ядерный реактор.
В качестве рабочего тела (пока еще в теории) могут использоваться не только лабораторные водород или аргон, но и довольно распространенные во Вселенной виды газов, такие как азот. Иными словами, запас рабочего тела может пополняться прямо в космосе, «по дороге». Для работы на околоземной орбите или на орбите планет с атмосферой в этом качестве предполагается использовать разреженный атмосферный газ (воздух).
Об интерферометрии как методе измерения параметров плазмы
Прежде чем перейти непосредственно к рассказу о 94-гигагерцевом интерферометре, сделанном в Санкт-Петербурге для установки Е-1 Курчатовского института (на ней выполнен прототип геликонного двигателя), стоит рассказать, каковы типичные применения интерферометрии и почему они так важны для будущего мировой энергетики.
Методы измерения параметров плазмы крайне разнообразны, без преувеличения можно сказать, что в этом вопросе используется большая часть арсенала экспериментальной физики, так или иначе связанная с электромагнетизмом.
Для измерения плотности электронов в плазме можно использовать интерферометр. Метод интерферометрии основан на измерении фазового сдвига при прохождении электромагнитной волны через исследуемый объект. Фазовый сдвиг, вносимый плазмой, может быть измерен фазовым детектором, и затем по определенным формулам может быть рассчитана электронная плотность плазмы.
Интерферометры для диагностики плазмы делаются на основе лазерного или СВЧ излучения. Использование излучения с различными длинами волн имеют свои преимущества и недостатки, но и те, и другие активно применяются в одной из наиболее многообещающих областей науки и техники — установках магнитного удержания плазмы, в том числе предназначенных для реализации так называемого «управляемого термоядерного синтеза».
Наиболее известная конфигурация таких установок называется «токамак», что расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками». Сам термин появился в СССР вскоре после постройки первого токамака в 1954 году.
Конечной целью, побуждающей вводить в строй новые токамаки во многих странах мира, и повышать температуру плазмы от десятков до сотни и выше миллионов градусов, является создание устройства, позволяющего осуществить управляемый термоядерный синтез в коммерческих целях, а если говорить шире — для обеспечения человечества неисчерпаемым источником экологически чистой энергии на ближайшие тысячелетия.
Наиболее известным проектом в этой области является ITER – проект международного экспериментального термоядерного реактора (реактор расположен во Франции, но работу над его созданием ведут ученые из десятков стран мира, в том числе, большой вклад вносит Россия). Проект официально начат в 1988 году, в 2025 году планируется достройка самого большого токамака в мире, и только в 2035 году планируется достижение важнейшей промежуточной цели – получение энергии за счет слияния атомов дейтерия и трития (изотопов водорода) в гелий с выделением огромной энергии.
Надо отметить, что ITER изначально не предполагал возможности не только использования выделяемой энергии в коммерческих целях, но даже перевода этой энергии в электричество. Эту цель предполагается достичь в планируемом термоядерном реакторе DEMO (DEMOnstration power plant). Выход на режим генерации электроэнергии, когда часть вырабатываемой энергии будет использована для поддержания термоядерной реакции в токомаке и для других нужд электростанции, а часть – передана во внешнюю сеть – планируется после 2050 года. Этот этап развития термоядерной энергетики также является промежуточным, поскольку стоимость и объем вырабатываемой электроэнергии будут еще не такими, как у существующих даже на текущий момент электростанций. Постройка коммерческих термоядерных электростанций планируется еще позднее.
Впрочем, если большие международные проекты могут позволить себе развитие в течение многих десятилетий без коммерческого результата, частные компании, которые также существуют в этой области, рассчитывают получить коммерческие результаты гораздо быстрее.
Например, американская компания TAE Technologies (Try Alpha Energy Technologies, tae.com), основанная в 1998, создает реактор иного типа, который сочетает в себе физику ускорителей частиц и физику плазмы для решения проблемы удержания плазмы. Это позволяет использовать в том числе реакцию водорода с бором, которая имеет более высокий порог зажигания, но зато дает возможность полностью избавиться от «радиоактивного следа». Коммерциализация термоядерной реакции планируется в середине 2020-х, не считая того, что компания продвигает также коммерческое применение своих промежуточных результатов работы по созданию реактора в других областях — например, в медицине и в системах для зарядки электромобилей. Идея плазменной установки FRC (Field-reversed configuration), как средства получения ядерного синтеза — согласно опубликованной дорожной карте, уже близка к коммерческой реализации.
Следует упомянуть также британскую компанию Tokаmak Energy, основанную в 2009 году, которая ориентирована на создание сферических токамаков малых размеров с использованием высокотемпературных сверхпроводников. В планы компании входит запуск к 2030 году токамака с возможностью генерации электроэнергии.
Интерферометры для измерения плотности плазмы — сделано в России
Надо сказать, что разработка интерферометров для изучения плазмы, особенно под заказ для конкретной установки — это область высокого хайтека. В мире есть всего несколько компаний, способных изготавливать такие приборы, и одна из них — компания «ДОК» из Санкт-Петербурга. У команды «ДОК» большой опыт в изготовлении интерферометров для исследовательских токамаков, петербургскими интерферометрами оснащены многие токамаки в мире. Собранные в Петербурге интерферометры работают в компаниях TAE Technologies и Tokаmak Energy. Также петербургские интерферометры будут работать в токамаке Т-15МД, который планируется запустить в Курчатовском институте в 2021 году.
Плазма в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу— это состояние вещества с очень высокой температурой, когда атомы полностью ионизуются, т.е. электроны и ионы существуют отдельно. При этом плазма удерживается сильным магнитным полем, чтобы избежать контакта со стенками установки. В частности, согласно опубликованным сведениям от Блумберг, в 2021 году в плазменной установке Norman С-2W в TAE Technologies зарегистрирована температура плазмы в 50 млн °C.
Разработчикам «ДОК» одним из первых в мире удалось решить важную задачу нечувствительности компонентов интерферометра к сильнейшему магнитному полю, которое используется в установках создания плазмы.
Магнитное поле плазменной установки отрицательно влияет на работу любой установленной вблизи аппаратуры, включая интерферометр. Поэтому интерферометр приходилось отодвигать как можно дальше от магнитного поля установки, доставляя СВЧ-сигнал по длинным волноводам.
Огромный минус такого решения — настолько большое затухание сигнала в длинных волноводах, что СВЧ-сигнал ослаблялся на один или даже два порядка по сравнению с ситуацией, когда СВЧ источник и приёмник расположены в непосредственной близости от установки. Поэтому создание нечувствительных к магнитному полю интерферометров — это большое технологическое достижение в отечественном и мировом приборостроении.
Теперь перейдем от общих рассуждений к конкретике и расскажем о 94-гигагерцевом интерферометре, 3 экземпляра которого поставлены в НИЦ «Курчатовский институт» на проект создания прототипа 100-киловаттного геликонного двигателя.
Выбор рабочей частоты 94 ГГц был обусловлен в первую очередь концентрацией электронов в плазме. Частота 94 ГГц идеально подходит для измерения плазмы с плотностью электронов до 10 13 см -3 . Именно такая плотность характерна для геликонных источников.
Непосредственно вблизи плазмы располагается блок, состоящий из предусилителя, умножителя на лавинно-пролетном диоде, и узкополосного фильтра. Все эти элементы не чувствительны к магнитному полю. Высокостабильный источник «кварцевый синтезатор» располагается на отдалении от установки с макетом геликонного двигателя и соединяется с приёмником и передатчиком кабелями.
Рабочая частота диагностического оборудования (интерферометра) должна в несколько раз превышать плазменную частоту, которая прямо пропорциональна плотности электронов
(),
иначе СВЧ-волна просто не проникнет в плазму и отразится от неё, как будто плазма является для волны зеркалом. Именно поэтому для интерферометрии более плотной плазмы требуется использовать более высокие частоты. Согласно техническому заданию на интерферометр для Курчатовского института, плазменная частота в установке макета геликонного двигателя составляет примерно 30 ГГц.
Также, чтобы избежать проблем с отклонением зондирующего луча, отношение диаметра D плазменного облака к длине волны интерферометра λ, (D / λ) должно быть достаточно большим. В различных научных работах показано, что для цилиндрической плазмы с постоянной плотностью при соответствующем размере рупора должно соблюдаться условие D / λ > 3. Из-за особенностей, описанных выше, для макета геликонного двигателя была выбрана рабочая частота интерферометра 94 ГГц.
Многие спросят, почему 94 ГГц, а не ровно 90 ГГц? Дело в том, СВЧ-компоненты выпускаются на определенные дискретные частоты, и выбор этих частот обусловлен локальными минимумами ослабления СВЧ-сигнала в атмосфере и под действием других факторов в общем частотном спектре. К таким минимумам относится и участок вокруг 94 ГГц. Другие ближайшие минимумы ослабления СВЧ-сигнала лежат вокруг частот 76 ГГц (что очевидно мало) и 130 ГГц (можно использовать, но излишне дорого, так как с ростом рабочей частоты стоимость СВЧ-компонентов растет почти экспоненциально).
Особенностью СВЧ-интерферометрии и, в частности, интерферометров производства «ДОК», является возможность передачи «опорного» СВЧ сигнала не по «воздуху», а по коаксиальному кабелю, что гораздо удобнее с технической точки зрения. Преобразование в сигнал с частотой, необходимой для зондирования плазмы, происходит непосредственно в передатчике и в приемнике с помощью умножителей частоты (суммарный коэффициент умножения — это всегда целое число, и оно составляет, в зависимости от задачи, единицы или десятки раз).
Структурная схема канала интерферометра имеет следующий вид:
Гетеродины приемника и передатчика интерферометра запитаны от одного кварцевого генератора сигналами, немного разнесёнными по частоте. Прошедший через плазму сигнал преобразуется сначала в первую промежуточную частоту (ПЧ) 78 МГц, а затем во вторую ПЧ 200кГц.
Выбор относительно низкой частоты второй ПЧ позволяет записывать и анализировать сигнал в большом временном окне. Также в усилителях промежуточной частоты была реализована фильтрация частот 2 МГц и 10 МГц. Это было необходимо, так как для разогрева плазмы в макете геликонного двигателя используются СВЧ-генераторы большой мощности (десятки киловатт), работающие именно на этих частотах. Поэтому, чтобы избежать наводок, в тракте ПЧ была предусмотрена дополнительная фильтрация.
Измерения плотности плазмы проводятся на одной фиксированной частоте, поэтому сдвиг фазы возможно измерять с большой точностью и в реальном времени. Экспериментально измеренное среднеквадратичное отклонение фазы, которое обусловлено шумами прибора, составило 1°. Такая точность определения фазы позволяет проводить измерения плотности с погрешностью меньше 1%, поскольку в плазме геликонного двигателя набег фазы составляет несколько сот градусов.
The road ahead или планы на будущее
Впереди много работы — у НИЦ «Курчатовский институт» на горизонте года предстоит сдача макета геликонного двигателя заказчику с последующей работой над созданием промышленного образца маршевого ракетного двигателя на плазменной тяге, в том числе с масштабированием проекта под мощности двигателя до 1 МВт.
«При помощи СВЧ интерферометра можно получать значения плотности электронов. Это дает возможность экспериментально подобрать оптимальный режим работы установки макетирования геликонного двигателя, изменяя входные параметры (расход рабочего газа, конфигурацию магнитного поля, вводимую мощность). В дальнейшем система с СВЧ интерферометром в ходе исследований может дать ясный и простой метод количественной оценки ускорения ионов за счет ионного циклотронного резонанса», — такой комментарий был дан Евгением Буниным, сотрудником НИЦ «Курчатовский институт».
Компания «ДОК» работает над изготовлением интерферометра для токамака Т-15МД, нового проекта Курчатовского комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий. Для Т-15МД потребуется многоканальный интерферометр на частотах порядка 330 ГГц в так называемом терагерцовом диапазоне, т.е. на грани перехода радиоволн в область оптического спектра инфракрасного диапазона.
Интерферометр на 330 ГГц (длина волны около 1 мм) также может быть интересен тем, что с его помощью можно создать особенно узкий луч для исследования плазменных пучков с малым сечением. В установке Е-1 в НИЦ «Курчатовский институт» есть подобные сечения. Такой интерферометр на 330 ГГц может найти применение и для исследования плазмы под антенной геликонной установки, где плотность плазмы выше значения в 10 13 см -3 .
Интересные проекты реализуют в России, не правда ли?
Вы также можете к ним присоединиться — в компании «ДОК» открыты вакансии для специалистов по СВЧ-технике, конструкторов и сборщиков РЭА, программистов.
Плазменный ракетный двигатель Росатома поможет осуществить полет к Марсу и на Луну
«Мы создаем плазменный ракетный двигатель. В следующем году рассчитываем завершить прототип. Подобные двигатели смогут осуществлять межпланетные перелеты, в том числе доставлять грузы на Луну, осуществить полет к Марсу. Надеемся, что наша работа приведет к созданию научной школы по диагностике плазмы», – поделилась ученый из ТРИНИТИ Александра Карташева.
Сессия состоялась в рамках XI Всероссийского съезда советов молодых ученых и студенческих научных обществ, который организовал координационный совет по делам молодежи в научной и образовательной сферах Совета при президенте РФ по науке и образованию при поддержке Минобрнауки РФ и правительства Нижегородской области.
«Мы реализуем масштабный проект в рамках комплексной программы развития атомной науки, техники и технологий (КП РТТН) – создаем плазменный ракетный двигатель. В следующем году рассчитываем завершить прототип. Подобные двигатели смогут осуществлять межпланетные перелеты, в том числе доставлять грузы на Луну, осуществить полет к Марсу. Основные методы измерения плазменных параметров давно известны. Однако, например, задача по применению диагностик в условиях плазмы ракетного двигателя накладывает ряд ограничений. Мы вместе с командой, в том числе со стажерами – участниками программы стажировок «Лаборатория роста Росатома» работаем над эффективными методами диагностики и созданием стационарного комплекса, который поможет в режиме реального времени количественно описать состояние системы. В случае двигателя – это позволит увеличить его тягу и импульс. Такая работа требует от нас развития определенных компетенций и знаний, поэтому надеемся, что наша работа приведет к созданию научной школы по диагностике плазмы», – поделилась Александра.
Среди других перспективных направлений КП РТТН, где молодые ученые могут приложить свои силы и знания, начальник лаборатории плазмодинамики ГНЦ РФ ТРИНИТИ Игорь Позняк назвал управляемый термоядерный синтез (УТС). «Ученые нашего института активно работают над развитием термоядерной энергетики и сопутствующих технологий. Когда удастся создать термоядерную электростанцию, мы обеспечим человечество неиссякаемым источником энергии. К решению этой задачи есть несколько подходов, и все они в той или иной мере развиваются в нашем институте. Помимо этого, мы проводим исследования в рамках проекта международного термоядерного реактора ИТЭР, который сейчас строится во Франции. В начале 30-х годов на этой установке рассчитывают получить первую плазму, и спустя некоторое время начнутся полноценные масштабные эксперименты. Экспериментальная компания ИТЭР рассчитана на десятки лет, поэтому для студентов, кто выберет это направление исследований, работы хватит на всю жизнь. Не говоря уже о том, что после ИТЭР нужно построить демонстрационный реактор ДЕМО. Кроме УТС в ТРИНИТИ есть также интересные смежные направления исследований – плазменное упрочнение конструкционных материалов, развитие космической техники, освоение ресурсов солнечной системы. Много возможностей для творческой реализации», – отметил Игорь.
Технолог аддитивного производства ГНЦ РФ ТРИНИТИ Егор Кормазов представил еще одну возможность участия молодых ученых в КП РТТН – 3D-печать различных материалов. Причем, по его словам, это направление выходит далеко за пределы федеральной программы, предусматривающей создание новых материалов для перспективных энергоустановок. Среди текущих направлений, где требуются молодые специалисты, он назвал печать медицинских имплантатов, среди будущих прорывных – 3D-биопечать. «Сегодня в Троицке реализован центр аддитивных технологий и биоинжениринга, в котором размещены две установки послойного наращивания изделий (3D-печати) из мелкодисперсного металлического порошка. Эта работа найдет свое применение во многих медицинских направлениях, в том числе при восстановлении челюстно-лицевого каркаса при несчастных случаях и авариях. В планах центра – освоение сферы биоактивных покрытий, затем бифабрикация – 3D-печать органических структур», – рассказал Егор.
На сессии выступили и другие молодые ученые Росатома. В частности, главный эксперт АО «Прорыв» Елена Родина рассказала о создании новой технологической платформы атомной отрасли с замкнутым ядерным топливным циклом и решении проблем отработавшего ядерного топлива на базе реакторов на быстрых нейтронах.
Руководитель проекта АО «НИИТФА» Василий Савельев представил несколько проектов института в области высокотехнологичной и ядерной медицины. «Помимо работы над «Ониксом» специалисты НИИТФА занимаются разработкой тороидального комплекса дистанционной терапии. В 2026 году мы планируем начать серийное производство полностью отечественных магнитно-резонансных томографов с напряженностью магнитного поля 1,5 Тесла. Ключевые характеристики проработали с коллегами из Минздрава России и Академии наук. Томограф Росатома станет первым аппаратом, соответствующим требованиям о происхождении товара на территории Российской Федерации. Кроме того, в работе проекты по созданию линейного ускорителя 18 МэВ и самозащищенного циклотрона», – подчеркивает Василий.
Модератором выступила председатель Совета молодых ученых Росатома, начальник научно-технического отдела АО ОКБ «ГИДРОПРЕСС» Екатерина Солнцева.
Разработка и исследование спектрально-томографической системы анализа параметров водородной плазмы в плазменных двигателях Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»
Аннотация научной статьи по медицинским технологиям, автор научной работы — Филонин О. В., Щелоков Е. А.
В статье рассмотрены разработанные авторами методы и алгоритмы малоракурсной томографической диагностики параметров плазменных двигателей . Приведено описание малоракурсного оптического томографа, разработанного для проведения таких исследований. Описан метод решения задач прямой 3D-реконструкции в рамках малоракурсной оптической томографии.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по медицинским технологиям , автор научной работы — Филонин О. В., Щелоков Е. А.
Методы и средства малоракурсной томографической диагностики параметров потоков ионных и плазменных двигателей КЛА
Малоракурсная компьютерная томография в физическом эксперименте
Система трехмерной томографической диагностики параметров плазменных образований в условиях ближнего космоса
Методы и средства оптико рентгеновской 3D диагностики процессов сублимации в композиционных материалах
Исследование возможностей малоракурсной томографической прямой 3D реконструкции параметров индуцированных оптоэлектронных полей излучения непрозрачных объектов
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
WORKING OUT AND RESEARCH OF SPECTRAL-TOMOGRAPHIC SYSTEM FOR DIAGNOSIS PARAMETERS OF A HYDROGEN PLASMA OF PLASMA ENGINES
In the article the authors developed methods and algorithms for tomographic diagnosis of few parameters of plasma thrusters. The description of few optical scanner designed for such research. Describes a method for solving the direct 3D-reconstruction within a few-optical tomography.
Текст научной работы на тему «Разработка и исследование спектрально-томографической системы анализа параметров водородной плазмы в плазменных двигателях»
1. Колебания совершаются на основной частоте возбуждения ap и являются гармоническими (q0 = 50).
2. Далее, увеличивая амплитуду нагрузки до q0 = 100, наблюдаем в спектре мощности возникновение линейно независимой частоты колебаний а1. Система переходит в состояние двухчастотных колебаний на частотах а1 = 1,8592 и a>p = 5
При увеличении нагрузки до q0 = 500 , происходит образование линейно-зависимой от а1
4. При нагрузке q0 = 5000 мы видим образование линейно-зависимой частоты b1 = 4,4117 . Причем a>p — b 1 = а2 — а1 . Фазовый портрет становится предельным циклом.
5. Дальнейшее движение по амплитуде нагрузки приводит к образованию новых линейно-зависимых частот колебаний
а3 = — а1 = 0,6197, а4 = — а1 = 2,4789, а частоты b2 = 3,7481 и b1 = 4,4117 зависят от ap так же, как и а2и а3от а1.
Сигнал и фазовый портрет становятся хаотическими.
6. Затем при увеличении нагрузки до q0 = 15000 возникает новая комбинация линейной зависимости:
с1 = а3 — а5 = b2 — b3 = 0,196 .
7. Таким образом, серия возникновения зависимых частот колебаний приводит систему в состояние хаоса на частоте возбуждения ( q0 = 22000 ).
Следовательно, переход в хаос осуществляется по сценарию Рюэля-Такенса-Ньюхауза, т.е. появляется новая линейно независимая частота и переход к хаосу происходит через серию линейных комбинаций линейно-зависимых частот.
1. Вольмир А.С. Нелинейная динамика пластинок и оболочек / А.С. Вольмир.- М.: Наука, 1972.- 492 с.
2. А. В. Крысько, М. В. Жигалов Математические модели и методы исследования сложных колебаний неклассических распределенных механических систем; Сарат. гос. техн. ун-т (Саратов). — Саратов : СГТУ, 2008. — 230 с.
3. Григолюк Э.И. Неклассические теории колебаний стержней, пластин и оболочек / Э.И. Григолюк, И.Т. Селезов // Механика твердых деформируемых тел. Т. 5. М.: ВИНИТИ, 1973.- 272 с.
Филонин О.В.1, Щелоков Е.А.2
‘Доктор технических наук, профессор, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва, Россия; 2Студент, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва, Россия РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНО-ТОМОГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ
ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ В ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
В статье рассмотрены разработанные авторами методы и алгоритмы малоракурсной томографической диагностики параметров плазменных двигателей. Приведено описание малоракурсного оптического томографа, разработанного для проведения таких исследований. Описан метод решения задач прямой SD-реконструкции в рамках малоракурсной оптической томографии.
Ключевые слова: Плазменный двигатель, диагностика плазмы, спектральный анализ.
Phylonin O.V.1, Schelokov E.A.2
‘Doktor technical sciences, professor, Samara State Aerospace University named after academic S.P. Korolev, Russia;
2Student, Samara State Aerospace University, named after Korolev S.P., Russia WORKING OUT AND RESEARCH OF SPECTRAL-TOMOGRAPHIC SYSTEM FOR DIAGNOSIS PARAMETERS OF A
HYDROGEN PLASMA OF PLASMA ENGINES
In the article the authors developed methods and algorithms for tomographic diagnosis offew parameters of plasma thrusters. The description of few optical scanner designed for such research. Describes a method for solving the direct 3D-reconstruction within a few-optical tomography.
Keywords: Plasma engine, plasma diagnostics, spectral analysis.
Применение методов малоракурсной томографической реконструкции (МКТ) параметров плазменных объектов, в частности потоков рабочих тел плазменных двигателей, позволяет получить информацию об их пространственном распределении совершенно иного качества по сравнению с известными методами диагностики. Тем не менее, не смотря на широкие возможности МКТ в плане реконструкции вида искомых функций, в задачах диагностики параметров плазмы: главными вопросами являются адекватность получаемых функциональных распределений искомым параметрам, анализ соответствия динамики параметров процессов в плане идентичности реконструируемых данных, например, ожидаемым «мгновенным» сечениям исследуемого параметра. Это определяется, прежде всего, корректностью используемых известных расчётных соотношений применяемых для определения исследуемых параметров. Например, при исследовании низкотемпературной плазмы, используемой в плазменных двигателях, это, прежде всего, относится к расчётным соотношениям для вычисления локальных значений температур, концентраций электронных и ионных компонентов и т.д.
При проектировании и разработке новых систем диагностики в рамках автоматизированного физического эксперимента необходимо учитывать ряд важных обстоятельств:
1. Вновь разрабатываемые системы должны достаточно просто сопрягаться с существующими устройствами и системами диагностики — в данном случае это устройства для проведения спектрально-томографических исследований.
2. Целесообразно применять агрегатированно-модульный принцип построения разрабатываемой системы, что позволяет упростить процесс совершенствования отдельных узлов для расширения круга решаемых задач.
3. При разработке программного обеспечения целесообразно использовать модульный принцип формирования пакета
прикладных программ. Это значительно упрощает процедуры развития версий для различных вычислительных платформ.
Рис. 1. Структурная схема малоракурсного оптического томографа
С учетом указанных принципов разработан ряд малоракурсных оптических томографов для исследования параметров плазменных объектов, использующих как собственное излучение объекта, так и внешнее зондирующее излучение, применительно к условиям лабораторного эксперимента.
На рисунке 1 представлена структурная схема малоракурсного оптического томографа эмиссионного типа, предназначенного для изучения параметров дуговых разрядов плазменных потоков малогабаритных плазменных двигателей. Данная конструкция позволяет одновременно регистрировать до 24 двумерных проекций.
Максимальный размер исследуемого плазменного объёма можно представить как цилиндр диаметром ~10 мм, и высотой до 10 мм. Конструктивно данный томограф состоит из двух оптических столов (выполненных в виде планшайб), в которых имеются направляющие пазы ориентированный относительно геометрического центра, в зоне которого располагаются исследуемый плазменный объект. В пазах устанавливаются входные объективы — 4, собирающие собственное излучение исследуемого объекта и проецирующие двумерные проекционные изображения на входные торцы оптоволоконных светопроводов (для передачи изображений).
Несмотря на то, что пакеты проекций представляют собой двумерные проекции исследуемых плазменных объектов, процедуры реконструкции предполагают послойное восстановление нескольких срезов. При таком подходе можно сделать вывод 3D конфигурации искомого распределения. Так как сечения оказываются реконструированными для различных интервалов времени, то такой способ может быть оправдан лишь для «стационарных» плазменных объектов.
Рис. 2 Оптическая схема формирования проекций в побочных фокусах
С другой стороны конструкции оптоэлектронных сканеров дают возможность одновременно регистрировать 24 проекции в заданном диапазоне длин волн, при этом каждая проекция может содержать до (256×256) реальных отсчёта. Это дает возможность достаточно точно и с относительно высоким разрешением реконструировать 2D сечения. В то же время существует достаточно широкий класс физических задач, когда необходима информация о 3D- распределениях искомых параметров за малые интервалы времени.
Для решения задач прямой 3D-реконструкции в рамках малоракурсной оптической томографии существуют системы сбора данных с регистрацией ракурсов формируемых входной относительно длиннофокусной линзой в главном и побочных фокусах. Оптическая система такого рода представлена на рисунке 2.
Излучение исследуемого объекта в главном ракурсе попадает на входную линзу — 1, в задней фокальной плоскости, в которой установлена диафрагма — 2, имеющая отверстия в зонах главного и ряда побочных фокусов, линзы — 3 формируют главную и побочные 2D — проекции и проецируют их на входные торцы светопроводов, установленных в обечайке — 4. Далее, производя выборку одномерных проекции на выходных торцах светопроводов и использую спектральное расположение потоков интенсивности, можно сформировать массивы исходных проекционных данных для прямой 3D-реконструкции.
Рассмотренный способ получения реальных 2D проекционных данных значительно упрощает процедуры вычисления полного набора проекций для задач 3D реконструкции. Эти процедуры удобно выполнять в пространстве Фурье, где предварительно, в соответствие с теоремой о центральном сечении строятся одномерные (двумерные) образы Фурье. Вычисление недостающих проекционных данных производится с помощью методов интерполяции и экстраполяции по кольцевым (сферическим) гармоникам. Для упрощения процедур доопределения проекционных данных авторами разработан метод, позволяющий проводить только одномерные процедуры вычисления, как в плане определения недостающих отсчетов по кольцевым гармоникам, так и в смысле доопределения проекционных данных в требуемых сечениях.
Математическое моделирование описанных способов получения исходных двумерных данных и процедур реконструкции, искомых 3D функциональных распределений для задач диагностики плазменных двигателей — распределение интенсивности излучения по объему факела, локальные значения температур, концентраций и т.д. Погрешность рассмотренных методов реконструкции при форматах 256x256x256 вокселей не превышает (8И0)%.
1. Финкельберг И., Меккер А. Электрические дуги и термическая плазма. М.: ИИЛ, 1981, — с.345-367.
2. Филонин О.В. Малоракурсные оптические томографы для исследования плазменных объектов. Инженерная физика, №5, 2006, — с. 4-14.
3. Филонин О.В. Общий курс компьютерной томографии, Самара, СНЦ РАН, 2012, с.407.
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ / CHEMISTRY Ширяева Р.Н.1, Асадуллина А.С.2
‘Кандидат химических наук, доцент;2 студент, Башкирский государственный университет ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ АСФАЛЬТЕНОВ СПЕКТРАЛЬНЫМИ МЕТОДАМИ
Методом ИК-спектроскопии изучены структурные фрагменты асфальтенов, выделенных из нефтей Герасимовского, Аскаровского и Западно-Салымского месторождений. Лазерным дифрактометрическим методом определены размеры частиц асфальтенов. Установлено, что асфальтены Аскаровской нефти являются более высококонденсированными.
Ключевые слова: нефть, асфальтены, ИК-спектроскопия, дисперсионный анализ.
Shiryaeva RN1, Asadullina AS2 ‘Associate professor, PhD; 2student, Bashkirsky state University INVESTIGATION OF THE STRUCTURE OF ASPHALTENES SPECTRAL METODS
IR-spectroscopy studied structural fragments of asphaltenes isolated from petroleum Gerasimovsky, Askarovsky and West Salym fields. Laser diffractometry method defined particle sizes of asphaltenes. Found that asphaltenes Askarovsky oil are more highly condensed.
Keywords: oil, asphaltenes, IR- spectroscopy, analysis of variance.
Известно, что многие физико-химические характеристики нефтей определяются свойствами высокомолекулярных смолисто-асфальтеновых веществ (САВ) и, прежде всего, асфальтенов. Асфальтены играют первоочередную роль в структурировании НДС и обуславливают стабильность коллоидной структуры нефтей. К наиболее распространенным методам изучения строения САВ относится ИК-спектроскопия [1,2]. Спектры ультрафиолетового и видимого диапазонов асфальтенов мало изучены [3].
В данной работе проводилось изучение структурных характеристик асфальтенов, выделенных из нефтей Герасимовского, Аскаровского, Западно-Салымского месторождений по методике [4],методом ИК-спектроскопии. В табл.1 приведены физикохимические свойства образцов этих нефтей и содержание в них компонентов. Содержание бензольных смол в этих нефтях близкое, а асфальтенов практически одинаковое для Герасимовской и Аскаровской нефтей.
Таблица 1- Ха рактеристики исследуемых нефтей
Герасимовская Аскаровская Западно- Салымская
Плотность, кг/м3 908,8 902,8 878,7
Групповой углеводородный состав, % масс.
Парафино-нафтеновые 36,9 32,9 36,5
Легкие ароматические 17,1 14,7 21,7
Средние ароматические 8,0 9,0 8,3
Тяжелые ароматические 23,3 21,4 19,5
Смолы бензольные 4,3 4,6 4,5
Смолы спирто-бензольные 7,8 14,9 7,7
Асфальтены 2,6 2,6 1,8
ИК-спектры образцов снимали на спектрометре фирмы «Shimadzu» в виде пленок между пластинами из NaCl.
На рис.1,2 приведены ИК-спектры Аскаровской нефти и выделенных из нее асфальтенов. В спектре Аскаровской нефти наблюдаются полосы деформационных (1380 см-1) и валентных (2850 см-1) колебаний, характерных для метильной группы, и колебания при 1460, 2920, 2980 см-1 для метиленовых групп. В спектре асфальтенов отсутствует полоса поглощения при 1380 см-1 и уменьшается интенсивность полос при 2850, 2920 см-1. Появление полос поглощения при 1715 и 1750 см-1 характерно для 31
В ОмГТУ создают плазменный ракетный двигатель для мини- и микрокосмических аппаратов
ТАСС, 6 декабря. Ученые Омского государственного технического университета (ОмГТУ) приступили к созданию микроплазменного ракетного двигателя. Разработка позволит оснастить двигателями микроспутники весом до 10 кг и придать неуправляемым устройствам маневренность, сообщает пресс-служба вуза.
«Сейчас работа в самом начале. Но уже доказано, что равновесное состояние устанавливается в экспериментальном микроплазменном двигателе за доли секунды, и определено его значение. Это позволяет строить математическую модель процесса», — рассказал ТАСС один из участников научного коллектива, заведующий кафедрой «Нефтегазовое дело, стандартизация и метрология», профессор Виктор Шалай.
Следующим этапом конструкторов будет изучение физико-химических реакций при наличии ударных волн, детонации, исследование температурного режима, способов увеличения импульса двигателя, проведение испытаний.
Задача омских конструкторов — создать микроплазменный двигатель для самых малых космических аппаратов, а также сделать их максимально маневренными.
По словам ученого, в ОмГТУ уже на протяжении многих лет работают над созданием корректирующих и управляющих двигателей для мини- и микрокосмических аппаратов, одной из разновидностей которых являются плазменные. Эти двигатели пользуются большой популярностью в российской космонавтике за счет своей надежности и наличия необходимой тяги, а высокая температура плазмы позволяет получить ионный удельный импульс с минимальным расходом подаваемого в камеру газа для управления спутником.
Исследования и разработки в области авиа- и ракетостроения входят в программу развития университета, поддержанную федеральным проектом «Приоритет 2030».