Исследование испарения фторопласта излучением различного спектрального состава

Язык труда и переводы:
УДК:
621.384.4
Дата публикации:
13 января 2022, 00:05
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Чебыкин Евгений Олегович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Телех Виктор Дмитриевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрен метод двухэкспозиционной лазерной голографической интерферометрии. Показано радиационно-газодинамическое взаимодействие мощных потоков ультрафиолетового и вакуумного ультрафиолетового излучения с поверхностью фторопласта. Широкополосное ультрафиолетовое и вакуумное ультрафиолетовое излучение генерировалось плазмодинамическим излучающим разрядом магнитоплазменного компрессора эрозионного типа в газе (Ar, Ne, смесь Ar с 5% воздуха) с электродами коаксиально-торцевой геометрии и аблирующей фторопластовой плазмообразующей втулкой. Экспериментально показано влияние интенсивности излучения, его спектрального состава на характер испарения.
Ключевые слова:
абляция диэлектрика, плазменный источник излучения, ультрафиолетовое излучение, взаимодействие излучения с веществом
Основной текст труда

В последнее время наблюдается неуклонный рост числа запускаемых космических аппаратов формата CubeSat. Такие спутники являются сравнительно недорогими в производстве и запуске, а оснащение их подходящими двигательными установками позволит значительно расширить число задач, решаемых такими спутниками. Актуальность этой темы подтверждена значительным ростом числа публикаций по проблеме создания микродвигательных установок [1]. В качестве основы таких двигательных установок перспективными к применению являются импульсные плазменные двигатели, например, абляционный импульсный плазменный двигатель (АИПД) [2]. Для оптимизации процессов в его работе необходимы исследования влияния мощного излучения на рабочее тело.

Известно, что в АИПД тяга создается, когда поверхность полимерного рабочего тела испаряется и ускоряется пондеромоторной силой, возникающей при импульсной подаче электроэнергии. Энергия излучения (в основном – в УФ и видимом диапазонах) от плазменного образования передается твердому рабочему телу, что и приводит к его нагреву и последующему испарению.

Даже после многолетнего исследования вопроса абляции полимеров механизм испарения до сих пор остается не до конца исследованным [3]. В связи с этим задача экспериментального исследования испарения полимеров под действием широкополосного излучения становится еще более актуальной.

В работе представлены результаты экспериментального исследования испарения фторопласта (C2F4)n (наиболее распространенного рабочего тела АИПД) и исследование параметров плазмы, образующейся при облучении фторопластового образца мощным широкополосным излучением различного спектрального состава (в том числе вакуумный УФ диапазон).

Источником излучения являлся разряд магнитоплазменного компрессора (МПК) эрозионного типа [4], имитирующего разряд АИПД. Такие разряды характеризуются высокими спектрально-яркостными характеристиками излучения в УФ области спектра и имеют протяженное тело свечения. Диагностика процессов испарения проводилась по методу двулечевой лазерной голографической интерферометрии [4].

Эксперимент проводился в трех средах: неон (давление 400 Торр), аргон (давление 200 Торр), смесь аргона и воздуха (парциальное давление аргона 200 Торр, воздуха — 20 Торр). Фоновый газ определяет максимальную энергию квантов излучения МПК-разряда, попадающих на поверхность образца. В неоне и аргоне энергия квантов ограничивается потенциалами их ионизации (в неоне не более 21 эВ, длина волны не менее 60 нм, в аргоне не более 15 эВ, длина волны не менее 80 нм). При наличии воздуха максимальная энергия квантов определяется линиями Шумана-Рунге и не превышает 6 эВ, что соответствует длине волны 200 нм. Таким образом, излучение от разряда в неоне и аргоне сосредоточено в вакуумной области УФ, а при разряде в присутствии воздуха — в видимом и ближнем УФ диапазоне. Энерговклад в разряд был примерно одинаковым для всех сред и составлял 3,5 кДж.

Исследуемый образец фторопласта 15 х 50 мм и толщиной 10 мм устанавливался в ближней зоне разряда длинной стороной вдоль оси разряда. Таким образом на ближний край образца приходило примерно в 2–2,5 раза больше энергии излучения, чем на дальний.

Обработка интерферограмм позволяет определить параметры ударно-сжатого газа и плазмы паров фторопласта.

Излучение разряда нагревает, испаряет и ионизует пары образца, которые, расширяясь, реализуют режим «плазменного поршня», сжимая слой фонового газа над поверхностью образца. Движение контактной границы «плазма — ударно-сжатый газ» происходит со скоростями, сравнимыми с местными скоростями звука. По положению фронта ударной волны и контактной границы можно определить давление плазмы и степень сжатия фонового газа над парами.

Полученные результаты обсуждаются.

Грант
Работа выполнена на уникальной научной установке (УНУ) «Пучок-М» МГТУ им. Н.Э. Баумана, при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по государственному заданию 0705-2020-0046.
Литература
  1. O’Reilly D., Herdrich G., Kavanagh D.F. Electric Propulsion Methods for Small Satellites: A Review // Aerospace. 2021, Vol. 8 (22). DOI: https://doi.org/10.3390/aerospace8010022
  2. Popov G.A., Antropov N.N. Ablative PPT. New quality, new perspectives // Acta Astronautica. 2006. Vol. 59. Pp. 175–180. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2006.02.009
  3. Lippert T. Interaction of Photons with Polymers: From Surface Modification to Ablation // Plasma Processes Polym. 2005. Vol. 2 Pp. 525–546. DOI: https://doi.org/10.1002/ppap.200500036
  4. Pavlov A.V., Protasov Yu.Yu., Telekh V.D., Shchepanuk T.S. Laser holographic interferometry of short ultraviolet radiation with high power density interaction with condensed metter // Scientific Visualization. 2019. Vol. 11 (3). Pp. 111–125. DOI: 10.26583/sv.11.3.10
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.