Известия РАН. Энергетика, 2019, № 3, стр. 122-130

ВВЕДЕНИЕ

Электрические ракетные двигатели (ЭРД) нашли широкое применение в качестве двигателей стабилизации положения и коррекции орбиты космических аппаратов (КА). Данные двигатели позволяют значительно сократить запасы рабочего тела на борту КА, и, следовательно, сократить затраты на вывод полезной нагрузки.

Принцип работы электрических двигателей состоит в образовании плазмы рабочего газа с последующим ускорением её компонентов с помощью электрического поля. Плазма образуется в объеме, ограниченном стенками – газоразрядной камеры. К данному узлу ЭРД предъявляют требования к воздействию механических нагрузок, стойкости к ионному распылению, а также определенные электрофизические требования [1–9, 21].

Данная работа посвящена исследованию перспективного полимер-керамического материала на основе кремнийорганических соединений для газоразрядной камеры ВЧИД (показан на рис. 1а). Процесс образования плазмы в данном двигателе происходит под воздействием высокочастотного электромагнитного поля внутри ГРК. Требования, предъявляемые для маршевых двигателей данного типа, приводят к увеличению мощности, и как следствие, к увеличению диаметра ГРК до значения 500 мм и более. При этом толщина стенки должна быть не более 4–5 мм, иначе масса ГРК значительно возрастет. Эксплуатируемые на сегодняшний день образцы ГРК обычно изготовляются из керамики (Al₂O₃, Si₃N₄) и имеют диаметр не более160 мм (см. рис. 2).

Рис. 1.

Принципиальная схема ВЧИД.

Рис. 2.

Образцы ГРК из нитрида кремния (Si₃N₄, слева) и корунда (Al₂O₃) ВК-100-2 (справа).

Увеличение диаметра ГРК на величину более 300 мм, на ряду с требованиями к повышенной вибростойкости приводит к существенным технологическим сложностям при производстве ГРК из керамических материалов [4–7, 9–11, 22].

Поэтому, в целях значительного упрощения и удешевления технологии изготовления ГРК для ВЧИД необходимо рассмотреть альтернативные способы создания данных изделий [12–19], а именно изучение возможности использования материала в системе: кремнийорганический эластомер – керамика.

В рамках экспериментальной работы были рассмотрены два типа ГРК:

– ГРК ламельно-клееной конструкции (рис. 3 слева);

Рис. 3.

ГРК из материалов с разным типом использования системы кремнеорганический эластомер – керамика.

– ГРК, отформованная целиком из полимер-керамического материала (рис. 3 справа).

Ламельные конструкции ГРК являются наиболее близким аналогом уже существующих керамических ГРК, сохраняя все положительные свойства последних. В это же время вибростойкость и технологичность таких конструкций оказалась неудовлетворительной. Основные усилия в поиске материала для ГРК, заменяющего керамику, были направлены на разработку ГРК, отформованных из полимер-керамических материалов, на основе кремнийорганического каучука, в том числе, модифицированного нитридом кремния. Было исследовано два типа образцов – из каучука силиконового поликонденсационного отверждения (КСПК) и каучука силиконового полимеризационного отверждения (КСПМ). Отверждение материала проводилось полимеризацией по двойным связям винильных групп у атома кремния и поликонденсацией, реакцией гидросилилирования (рис. 4).

Рис. 4.

Формовка испытательных образцов из кремнийорганического каучука в металлическую форму.

ЭТАПЫ РАБОТЫ

На первом этапе работ по получению ГРК, отформованных из полимер-керамических материалов, была произведена отработка физико-химических основ получения сложносоставных материалов с полимерной матрицей и керамическим порошком в качестве наполнителя для повышения вибрационной стойкости тонкостенных изделий больших размеров. Отработан способ формования в металлическую форму крупногабаритных изделий из кремнийорганического каучуков, получаемых реакцией поликонденсации и полимеризации. Были изготовлены лабораторные участки для этих альтернативных методов формовки заготовок, в том числе адаптированные для дальнейшего использования в аддитивном производстве.

На втором этапе работ был проведен комплекс исследований свойств разрабатываемых полимер-керамических материалов, позволивший сформулировать рекомендации по применению и адаптации полученных материалов в космической технике.

Для оценки механических свойств материалов проводились следующие испытания:

• Изотермическая термообработка образцов с экспозицией 5 ч в вакуумной электропечи СШВЭ 1.2,5/25 при остаточном давлении P = 6 × 10^–3Па;

• Измерение прочности на разрыв σ_в на универсальной испытательной машины Instron серии 5960 для образцов толщиной 2 ± 0.2 мм. Испытания проводились при температуре 28°С и скорости нагружения 500 мм/мин;

• Измерение усадки после отверждения;

• Измерение твердости образцов до и после термообработки в вакууме на приборе ТШР;

• А также виброиспытания полученных прототипов ГРК ВЧИД диаметром 100 мм.

Подтверждение электрофизических свойств проводилось при испытании ГРК, изготовленной из нового материала, в составе лабораторной модели двигателя с диаметром ионно-оптической системы 100 мм. Для этого использовалась готовая лабораторная модель ВЧ ИД. Для данной лабораторной модели ранее были получены зависимости тока ионного пучка от расхода и вложенной высокочастотной мощности (ВЧ-мощности) при использовании ГРК из керамики. Испытательный вакуумный стенд для проведения испытаний полимер-керамических ГРК в составе лабораторной модели ВЧ ИД обеспечивал динамический вакуум на уровне 10^–3 Па при расходах ксенона до 0.65 мг/с. Задача данных испытаний состояла в сравнении ранее полученных интегральных характеристик двигателя на керамической ГРК с новыми, когда ГРК была заменена на полимер-керамическую.

Рис. 5.

ГРК из КСПК, установленная на макете ВЧИД (слева) и общий вид вакуумного стенда для испытания ВЧИД (справа).

РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 6 представлен график потери массы образцов в зависимости от температуры термообработки в вакууме. Потеря массы испытуемых образцов до 400° составляет порядка 20 мас. % (КСПМ, КСПК) и около 10 мас. % для полимер-керамического композита (КСПМ + 50% Si₃N₄, КСПК + 60% Si₃N₄). Несмотря на различие в способе отверждения полимеров, значения потери массы близки и характерны для данного класса соединений. Материал на основе КСПК, ввиду содержания в композиции катализатора Спайера характеризуется несколько большим значением потери массы, что обусловлено процессом удаления низкокипящих компонентов отвердителя.

Рис. 6.

Зависимость потери массы от температуры термообработки в вакууме (P = 6 × 10^–3 Па, экспозиция 5 ч) образцов из кремнийорганического каучуков поликонденсационного отверждения (КСПК) и полимеризационного отверждения (КСПМ).

Рост потери массы после термообработки свыше 300°С обусловлен инициацией процесса термодеструкции основной полимерной цепи полимера. Таким образом, процессы которые протекают до 300°С, главным образом связаны с протеканием реакции по не вступившим функциональным группам, реакцией теломеризации, внутримолекулярной перегруппировки и удаления низкокипящих веществ. В результате этих процессов наблюдается увеличение прочности на разрыв (см. рис. 7) вследствие образования дополнительных связей между макромолекулами.

Рис. 7.

Зависимость прочности на разрыв от температуры обработки в вакууме (P = 6 × 10^–3 Па, экспозиция 5 ч) для образцов из кремнийорганического каучуков поликонденсационного отверждения (КСПК) и полимеризационного отверждения (КСПМ).

Согласно графику зависимости прочности на разрыв от температуры обработки образцов, представленному на рис. 7, образец КСПК и образец КСПК + 60% Si₃N₄ характеризуются большим значением прочности на разрыв после обработки при 370°С. Несмотря на схожий химический состав КСПМ, КСПК, полимер отверждаемый по радикальному механизму (КСПМ и КСПМ + 50% Si₃N₄), характеризуется большим значением усадки (4–5%) и меньшим значением прочности на разрыв.

Вероятной причиной наблюдаемого явления, может являться тот факт, что полимер, отверждаемый поликонденсацией (КСПК, КСПК + 60% Si₃N₄) в боковом обрамлении полимерной цепи, содержит гидридный водород у атома кремния. В процессе отверждения, реакцией гидросилирования по поликонденсационному механизму, доля конверсии функциональных групп не превышает 0.7, что характерно для реакции поликонденсации. Таким образом, не вступившие в реакцию атомы водорода могут реагировать с концевыми гидроксильными группами силаксановой цепи. В результате этой реакции вырастает молекулярная масса КСПК, соответственно, возрастает прочность на разрыв.

Резкое увеличение потери массы КСПМ после термообработки при температуре 300°С, который отверждается полимеризацией по винильным группам, можно объяснить β-распадом этильной группы у атома кремния, характерной для термодеструкции этилсилаксанов при температуре термообработки свыше 250°С, в результате происходит выделение этилена. Это в свою очередь, приводит к уменьшению числа межмолекулярных связей, снижению молекулярной массы полимера и снижению прочности.

Таким образом, наиболее подходящим (с точки зрения стабильности свойств) является материал КСПК наполненный нитридом кремния (60 мас. %). Данный материал характеризируется следующими свойствами:

• Твердость по Шору – 40–50 кгс/см².

• Плотность – 8000–1400 кг/м³.

• Эластичность – линейное удлинение 20–40% остаточной деформации.

• Относительное удлинение при разрыве – 50–70%.

• Напряжение на разрыв при растяжении – 1.2–7.05 МПа.

• Температурный коэффициент линейного расширения – 1.0–1.5 × 10^–3 К^–1.

• Электрическая прочность 15–20 кВ/мм.

• Тангенс угла диэлектрических потерь: 0.2–0.02.

• Максимальная рабочая температура – 370°С (400°С – кратковременно).

На основе этого материала была изготовлена ГРК, которая прошла испытания в составе лабораторной модели ВЧ ИД. Полученные зависимости тока ионного пучка от расхода рабочего тела и вложенной ВЧ-мощности не уступили ранее полученным значениям для двигателя с газоразрядной камерой на основе алюмооксидной керамики.

Из полученных результатов следует, что механические и электрофизические параметры ГРК из полимер-керамического материала изготовленного из КСПК наполненного нитридом кремния, соответствуют требованиям, предъявляемым к газоразрядным камерам ВЧ ИД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках проведенной работы были изучены перспективные материалы для создания полимер-керамического материала, обеспечивающего требуемые электро-физические и эксплуатационные характеристики газоразрядных камер ВЧ ИД (радиопрозрачность, технологичность, вибростойкость). Исследованы два способа получения изделий из сложносоставных керамических материалов, основанные на применении полимер-керамических материалов на основе кремнийорганического каучука, модифицированного нитридом кремния.

Созданы экспериментальные элементы технологического оборудования для получения ГРК из разработанных полимер-керамических материалов. Показано, что материал на основе наполненного КСПМ значительно уступает своему аналогу (КСПК), так значение удельной линейной усадки достигает порядка 4–5% (l_КСПК = 1.3–2.5%), а значение предела прочности на разрыв составило 1.5–2.0 мПа (σ_вКСПК=2.5–5.0 мПа). Экспериментально подтверждено, что температура эксплуатации ГРК из наполненного нитридом кремния каучука (КСПК) составляет, без потери механических и электрофизических свойств, 370°С.

Газоразрядная камера, изготовленная из КСПК, прошла кратковременные испытания в составе лабораторной модели ВЧ ИД и подтвердила потенциальную возможность создания и эксплуатации ГРК различных размеров из данного материала.

Для дальнейшей отработки и получения стабильных характеристик ВЧ ИД при длительном режиме работы (свыше 10000 ч) необходимо провести комплекс научных, исследовательских и конструкторских работ для подтверждения требуемых характеристик, отработки способа создания ГРК различных размеров и форм, а также провести физико-химическое исследование данных материалов с целью определения оптимального состава получаемых полимер-керамических материалов.

Работа выполнена в Московском авиационном институте при финансовой поддержке РФФИ проект № 18-29-18083/18.