Как сделать диагностику плазменного двигателя

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.

Как сделать диагностику плазменного двигателя

Сверхмалый, плазменный, космический © stimul.online

Испытания плазменного двигателя. Источник изображения: НИЯУ МИФИ

В Институте лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ разработали и изготовили плазменный двигатель для наноспутника, использовав наработки компании — национального чемпиона «СуперОКС». Об истории и ходе реализации проекта пишет журнал об инновациях в России «Стимул».

Пресс-служба НИЯУ МИФИ сообщила, что сотрудники компании «Спутникс», входящей в Sitronics Group, начали сборку наноспутника формата CubeSat 3U с импульсной плазменной двигательной установкой VERA (Volume-Effective Rocket-propulsion Assembly), разработанной лабораторией плазменных двигателей Института лазерных и плазменных технологий (Институт ЛаПлаз) НИЯУ МИФИ.

Как сказано в пресс-релизе, президент компании Sitronics Group Николай Пожидаев сообщил, что «в наших совместных планах — собрать два экспериментальных наноспутника с плазменной установкой для проведения дальнейших летных испытаний. Важной задачей двигателей является разведение спутников, запускаемых единой группой, по разным точкам орбиты с целью увеличения одновременно контролируемой площади».

УНИВЕРСИТЕТСКАЯ ИГРУШКА

В 2015 году в десятку выдающихся открытий по версии журнала Science вошло создание сверхмалых космических аппаратов типа CubeSat. Но история их создания началась еще в 1999 году в результате совместных усилий Калифорнийского технологического института и Стэнфордского университета (США).

За это недолгое время спутники из университетской игрушки выросли до устройств, решающих серьезные научные фундаментальные и прикладные задачи. Например, наблюдения за поверхностью Земли в различных диапазонах длин волн. А их будущее связано с созданием глобальной сети мониторинга с «близкого» расстояния не только поверхности Земли, но и — впоследствии — Луны, Марса и астероидов.

Многие страны, в том числе ранее никогда не занимавшиеся космонавтикой, строят собственные спутники подобного типа для проведения атмосферных исследований, наблюдений Земли и испытания новых космических технологий. Именно такие миниатюрные спутники, как CubeSat, позволяют им проводить недорогие космические исследования.

Кубсаты, в большинстве случаев относящиеся к классу наноспутников, строятся в стандартном размере 10×10×11 см (типоразмер, который получил обозначение 1U) и выполняются в форме кубика, как легко догадаться по названию. Они масштабируются и бывают разных версий — 1U, 1,5U, 2U, 3U или 6U. Весит такой спутник максимум 1,33 кг на U. Правда, для размеров 3U и 6U ограничение — 12 кг, а в предварительной версии нового стандарта для всех типоразмеров повышают массу до 2,0 кг на U. В последние годы разрабатывались и более крупные платформы CubeSat, включающие модель в 12U (20×20×30 см), которая может позволить расширить возможности кубсатов, выйдя за пределы академических исследований, и проводить испытания новых технологий для интересов сложной науки и оборонки.

Серьезные ограничения, накладываемые размерами и массой кубсатов, заметно снижают их функциональность и диапазон потенциальных задач. Для расширения их возможностей применяются устройства, объединяющие два или три кубсата. Однако наибольшие перспективы идея малых стандартизированных аппаратов имеет при создании на их основе распределенных спутниковых систем — группировок спутников, разнесенных на большие расстояния, но выполняющих общие задачи. В этом случае различные системы могут быть перераспределены между аппаратами (например, для дистанционного зондирования Земли может использоваться специальный спутник, оборудованный телеметрической системой с большой пропускной способностью для передачи данных, собранных другими аппаратами). Вывод кубсатов на околоземную орбиту не представляет проблем, а запуск спутников с борта МКС постепенно входит в программу научных экспериментов на борту станции. Немаловажно, что использование кубсатов на низких орбитах позволяет использовать атмосферное торможение для их утилизации, в результате при запуске большого количества малых аппаратов не создается угрожающего объема космического мусора.

Такие спутники смогут выполнять на орбите различные задачи. В приоритете — зондирование Земли, выявление стихийных бедствий, сбор данных о перемещении морских и воздушных судов, поддержка интернета вещей, обеспечение связи с удаленными автономными метеорологическими и океанографическими станциями.

ЕГОРОВ.jpg © stimul.online

Ведущий разработчик плазменных двигателей Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Игорь Егоров. Источник изображения: НИЯУ МИФИ

ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ КУБИКА

Как сообщается в пресс-релизе НИЯУ МИФИ, плазменная двигательная установка для подготавливаемых к запуску наноспутников станет первой в нашей стране и одной из первых в мире, пригодных для установки на спутники массой не более четырех килограммов.

Как рассказал нам Игорь Егоров, начальник лаборатории и руководитель разработки плазменного двигателя в институте, у плазменных нанодвигателей есть три возможных применения в космонавтике наноспутников:

— ориентация космических аппаратов в пространстве (повороты вокруг осей);

— коррекция малых возмущений орбиты;

— небольшие орбитальные маневры.

Плазменные двигатели, представляющие собой разновидность электроракетных двигателей, основаны на получении тяги за счет рабочего вещества, которое находится в состоянии плазмы.

Идея создания плазменного двигателя, в котором могла бы возникать реактивная тяга за счет энергии ионов, была впервые выдвинута в 1911 году Константином Циолковским, отцом российской космонавтики, а первые практические эксперименты в этом направлении в 1916 году были проведены уже отцом американской космонавтики Робертом Годдардом.

Вопросы использования плазменных технологий стали актуальными к 1960-м годам, когда СССР и США приступили к практическому освоению космического пространства. Ученые этих стран к тому времени обосновали принципы работы различных ионных двигателей, способных создавать реактивную тягу за счет ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Первый работающий ионный двигатель был построен инженером NASA Гарольдом Кауфманом в 1959 году. Суборбитальные испытания этого двигателя прошли в 1964-м, когда исследовательской ракетой был запущен научный зонд Sert 1 — первое в истории устройство, использовавшее конструкцию ионного двигателя в космосе.

Теоретическое исследование плазмодинамики, проведенное академиком Алексеем Морозовым, считается наиболее фундаментальным в мировой науке. В системе ориентации советского спутника «Метеор», запущенного в 1971 году, плазменные и ионные двигатели были использованы в системе орбитального маневрирования, а для ориентации плазменные двигатели применили еще в 1964 году на борту межпланетного аппарата «Зонд-2». Двигатель, разрабатываемый в МИФИ, как раз наследник того, что был на «Зонде».

КУЗНЕЦОВ.jpg © stimul.online

Директор Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ, доктор физико-математических наук, профессор Андрей Кузнецов. Источник изображения: НИЯУ МИФИ

ПОДАЧА ОТ НАЦЧЕМПИОНА

В Институт лазерных и плазменных технологий разработка плазменных двигателей перешла от компании — национального чемпиона «СуперОКС», занимающейся высокотемпературными сверхпроводниками и продукцией на их основе, в которой решили создать плазменный двигатель с высокотемпературной сверхпроводящей магнитной системой и даже сделали стенд для испытаний таких двигателей и успешный лабораторный прототип двигателя. Но в конце концов от этой идеи отказались, а в МИФИ решили эти разработки подхватить и, в частности, получили в наследство стенд и ведущего разработчика Игоря Егорова.

Как рассказал нам директор института, доктор физико-математических наук, профессор Андрей Кузнецов, «идея приземлить у нас лабораторию плазменных двигателей появилась в 2018 году. Мы исходили из того, что важно для расширения нашей деятельности, связанной с физикой плазмы, потому что исторически кафедра физики плазмы, на основе которой создан наш институт, занималась термоядерными технологиями. Ведь все, что связано с плазменными двигателями, основано на свойствах плазмы и управлении ею. К тому же расширение тематики нашей работы — это одна из характеристик нашего университета, начиная с фундаментальных исследований и заканчивая прикладными».

ДВИГАТЕЛЬ.jpg © stimul.online

Плазменный двигатель разработки Института лазерных и плазменных технологий. Источник изображения: НИЯУ МИФИ

А поскольку в институте есть не только лаборатории, но и небольшое производство, там были уверены, что смогут организовать небольшое мелкосерийное производство этих двигателей, с которыми можно будет выйти на очень перспективный рынок. «И в этом, — отметил профессор Кузнецов, — нам помогает наше малое предприятие „Лазер Ай“, которое взяло на себя создание необходимой электроники для управления двигателем».

А Игорь Егоров, объясняя выбор плазменных нанодвигателей в качестве направления своей работы, рассказал, что, изучая рынок подобных двигателей, он пришел к выводу: существует потребность именно в очень маленьких двигателях, потому что в начале 2010-х годов возник бум на наноспутники. А традиционные производители двигателей всегда ориентировались на довольно тяжелые аппараты, не имели готовых решений по нанодвигателям, которые к тому же значительно дешевле их традиционной продукции. Причем эта проблема существовала в мировом масштабе, не только у нас. Но у маленьких компаний, готовых взяться за такую проблему, отсутствовала стендовая база, куда нужно вложить достаточно много средств.

«А у нас оказался стенд, и у нас отсутствуют амбиции зарабатывать десятки миллионов долларов. Поэтому я решил взяться за эту тему, и получил поддержку от компании „Спутникс“, разработчика и производителя спутников». При этом из всего многообразия типов нанодвигателей в институте был выбран простейший из них: абляционный импульсный плазменный двигатель (АИПД), одним из преимуществ которого, как рассказал Игорь Егоров, является простейшая конструкция. «Более того, создатель самых первых двигателей, полетевших в 1964 году, у меня преподавал. И прототип того двигателя, который проходил наземные ресурсные испытания, он нам приносил на лекции. Так что я был знаком с этим двигателем не только из книжек, но имел возможность даже подержать его в руках и пообщаться непосредственно с создателем. Поэтому, естественно, возникла мысль взяться за этот тип двигателя».

Конструкция АИПД — это два электрода, в один из которых встроены свеча зажигания, магнитная катушка и изолятор (кусок пластмассы), разделяющий электроды. Один из выводов магнитной катушки подключается к «плюсу» конденсаторной батареи, второй ее вывод подключается к одному из электродов — к аноду. Второй электрод — катод — подключается к «минусу» конденсаторной батареи. Именно в центре катода находится свеча зажигания. При подаче на свечу питания от маломощного высоковольтного генератора в ней образуются свободные электроны. Эти электроны инициируют разряд по поверхности внутреннего канала изолятора, поддерживаемый конденсаторной батареей. Тонкий слой поверхности изолятора испаряется, превращается в плазму, которая нагревается протекающим через нее током и с огромной скоростью выбрасывается из двигателя. Поле катушки формирует магнитное сопло, которое фокусирует плазму, повышая эффективность двигателя.

У плазменных двигателей такого типа, как пояснил Игорь Егоров, есть много преимуществ:

1. предельная простота и, соответственно, дешевизна конструкции. В частности полностью отсутствуют как что-то отдельное системы хранения и подачи рабочего тела;

2. очень высокая надежность;

3. возможность использования самых разных рабочих тел;

4. компактность и малая масса;

5. отсутствие сжатых газов, токсичных, химически активных, пожароопасных и т. д. веществ, то есть двигатель абсолютно безопасен в выключенном состоянии;

6. простота регулировки потребляемой мощности, работоспособность при сколь угодно малой мощности питания (можно заряжать конденсатор за десятую долю секунды, а можно за десятки секунд).

ЧЕРТЕЖ.jpg © stimul.online

Схема плазменного двигателя разработки Института лазерных и плазменных технологий. Источник изображения: НИЯУ МИФИ

МАЛЕНЬКАЯ СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ

Конечно, путь разработки двигателя был непростым, несмотря на его, кажущуюся простоту. Игорь Егоров в качестве примера рассказал нам о двух проблемах, которые пришлось решать в ходе разработки. Первая — выбор рабочего тела. Обычно на этих двигателях все в этом качестве использовали фторопласт. Одна из причин выбора фторопласта в том, что у него большая плотность. А чем тяжелее пластик, тем больше рабочего тела. Но фторопласт обугливается и покрывается слоем графита, который замыкает накоротко электроды. Егоров стал искать замену фторопласту и обнаружил пластик полиацеталь, у которого не углеродная цепочка, а углерод-кислородная. И у него возникло предположение, что отсутствие непрерывной цепочки углерода приведет к тому, что пластик будет менее склонен обугливаться. Проверили, и действительно этот пластик оказался не склонен к обугливанию.

Другая проблема — выбор свечи зажигания. Все серийно выпускаемые стандартные решения оказались слишком большими для этого двигателя. Пока разработчикам приходится делать свечи самостоятельно, кустарным способом, а это не дает стабильного результата. Но они продолжают работу и пытаются создать более технологичную конструкцию.

Но на создании этих двух двигателей работа над ними не заканчивается. Как рассказал Игорь Егоров, в планах разработчиков — создание более крупных двигателей под стандарт спутников 6U-12U. Более того, у компании «Спутникс» есть амбиции сделать аппарат для полета на Луну. Как пояснил Егоров, «запуская ракеты к Луне, при подлете к ней ракету необходимо затормозить, иначе попасть на окололунную орбиту не получится. Для этого ракета должна сделать серьезный маневр. И сейчас обсуждается, насколько серьезным должен быть маневр и насколько реально довести АИПД до возможности его осуществить».

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи
или пресс-релизы с ссылками и изображениями.
ritm@gardesmash.com

Оборудование для диагностики автомобилей в автосервисе

Для чего нужно? Оборудование для диагностики автомобилей позволяет выявить любые проблемы, возникающие с транспортом. Под каждый узел предусмотрено свое устройство, но принцип работы у них примерно одинаков.

Какие есть варианты? Существует много видов такого оборудования, но особую группу составляют приборы для диагностики двигателя. Однако мало купить такое устройство, в штате СТО должен быть еще и специалист, который сможет провести с его помощью проверку машины.

В этой статье:

1. Функции диагностического оборудования
2. Оборудование для диагностики двигателей автомобилей
3. Автосканеры
4. Мотор-тестер
5. Газоанализаторы
6. Оборудование для очистки форсунок

7 обязательных шагов для организации СТО
Шаг 5 упускают 68% предпринимателей

Функции диагностического оборудования

Устройства для диагностики позволяют технологу получить достоверные данные о состоянии машины и ее систем.

Специалист сможет уточнить версию ПО оборудования, которое управляет функционированием мотора и других важнейших электроприборов транспортного средства.

С помощью тестера удастся узнать VIN-номер авто, тип двигателя, а также классы всех систем управления.

С помощью устройства для диагностики можно проанализировать работу системы, получив необходимые данные в виде таблицы либо графика. Тестер позволит узнать температуру технических жидкостей, скорость вращения коленвала, параметры напряжения в электрической сети, вес воздушных масс в моторе, расположение топливной заслонки, а также состав топливной смеси, которая поступает в цилиндры. Оборудование способно получить информацию со всех датчиков автомобиля.

Изучив полученные данные, диагност сможет понять, в каком состоянии находится машина. Сопоставив и проанализировав собранную информацию, специалист обнаружит поломки, узнать о которых невозможно при использовании стандартных функций самодиагностики.

Следующая особенность тестеров заключается в том, что информация считывается из памяти контроллера.

ЭБУ автомобиля собирает и сохраняет информацию о функционировании всех систем транспортного средства. Кроме того, электронный блок управления может зафиксировать месторасположение и специфику возникшей поломки. Приборы диагностики получают эти данные, а затем передают ее на дисплей в виде кода.

Во всех странах действует общий стандарт кодирования ошибок.

К примеру, код P0125 свидетельствует о низкой температуре охлаждающей жидкости в моторе.

Литера P указывает на месторасположение поломки (ДВС). Цифра 0 означает, что ошибка входит в таблицу принятых стандартов.

Если неисправность специфическая, она будет закодирована цифрами 1 либо 3. Цифра 12 указывает на месторасположение поломки дополнительных приборов (кислородный датчик).

Цифра 5 свидетельствует о том, что кислородный датчик функционирует неправильно.

Следующий термин, применяемый при использовании диагностического прибора, – статус-флаг.

Это понятие обозначает дополнительные данные, полученные при обнаружении поломки.

Статус-флаг указывает на состояние ошибки в реальное время. Он свидетельствует о том, насколько поломка активная и каким образом она влияет на повышение токсичности.

Современные контроллеры имеют разные наборы статус-флагов.

Они передают добавочную информацию относительно количества случаев появления дефектов, а также о времени, которое прошло после перезагрузки контроллера.

Режим Freeze Frame. Данный режим фиксирует характеристики системы на то время, когда неисправность была активной.

Диагностический прибор передает эти данные в виде перечня, помогающего определить дополнительные условия появления ошибки. В него входят данные о скорости машины, частоте вращения коленвала, температуре окружающей среды на то время, когда появилась неисправность. С помощью такой функции можно быстро обнаружить причину дефекта.

Диагносты используют тестер, чтобы проверить исполнительные компоненты и устройства системы. Во время диагностики зачастую нужно убедиться в том, что исполнительные блоки системы активные. Тестер выполняет эту функцию при помощи команд на включение и выключение приборов.

Оборудование для диагностики автомобилей

Скорость, приемистость, экономичность, легкость управления — этими характеристиками обладают ДВС, которые оснащены ультрасовременными системами управления. Быть за рулем автомобиля с таким мотором – настоящее удовольствие для каждого водителя. Однако невозможно исключить поломки, которые зачастую возникают в двигателях.

Инженеры, разрабатывающие моторы, стараются упростить обслуживание автомобилей. Если вы владеете новой машиной, никаких сложностей не возникнет при замене смазочной жидкости и фильтрующих элементов.

Однако проблемы могут появиться, если отказывает система управления, поскольку устранить неполадку бывает достаточно сложно.

Поскольку автомеханик не всегда может справиться с поставленной задачей, на СТО работают диагносты, которые тестируют систему управления ДВС с помощью специальных приборов. Поскольку современные автомобили представляют собой высокотехнологичные и сложные механизмы, без такого мастера уже не обходится ни один крупный сервисный центр.

Данное направление изучают механики, специализирующиеся на ремонте двигателей и карбюраторов. При этом владельцы СТО оснащают рабочие места для диагностики инжекторных моторов.

Когда сервисный центр входит в состав большой компании, где есть дилерские соглашения с разными автопроизводителями, сотрудники обучаются в специальных заводских учебных центрах.

Что касается небольших СТО, обучить механика на диагноста будет сложно, поскольку нужная информация отсутствует. Также проблематично выбрать подходящие диагностические приборы, чтобы обслуживать автомобили. Дело в том, что, когда руководство автосервиса решает создать пост диагностики, нет опытных специалистов, которые бы рассказали, как правильно это сделать.

Далее детально разберем, в чем заключается сложность при выборе того, какое оборудование для диагностики автомобилей потребуется в том или ином случае.

Прежде всего нужно отметить, что все диагностические приборы для моторов подразделяются на категории и используются для определенных целей.

Есть три группы тестеров:

• Сканеры для ЭБУ мотора.
• Оборудование для выполнения различных измерений.
• Тестеры исполнительных устройств и узлов мотора.

Первая категория оборудования для компьютерной диагностики автомобилей – это комплект приборов, которые предназначены для того, чтобы устанавливать связь с блоками управления машиной. Эти устройства выполняют следующие процедуры: читают и стирают ошибки, читают актуальные параметры датчиков и внутренних параметров системы управления, проверяют функционирование исполнительных устройств, адаптируют систему управления при замене отдельных узлов автомобиля или при капремонте мотора.

Данная категория тестеров ежегодно совершенствуется и получает новые возможности, на рынке появляется все больше компаний, выпускающих такое оборудование под своими брендами.

Автосканеры

При использовании сканера перед диагностом стоит цель прочитать ЭБУ, установленный практически во всех новых автомобилях.

Для того чтобы разобраться в задачах оборудования, нужно знать схему функционирования электронного блока управления.

В ЭБУ поступают все данные от датчиков, расположенных в машине. Затем электронный блок управления обрабатывает полученную информацию, выдавая специальный сигнал на исполнительные системы.

Также электронный блок управления сразу же обнаруживает неполадки в функционировании всех систем автомобиля.

Автосканер работает вместе с ЭБУ, с его помощью можно:

• зафиксировать и проконтролировать сигналы с большинства датчиков системы и увидеть ключевые характеристики в реальном времени;
• проверить функционирование главных механизмов, отрегулировать их, привести в действие, изучить идентификационные данные электронного блока управления, считать коды поломок и тому подобное;
• увидеть данные сканера, непосредственно поступающие с электронного блока управления.

Как видно из вышесказанного, сканер не считается измерительным прибором, он способен передать только данные, поступающие с ЭБУ.

Когда какой-либо датчик передает ложные данные, на дисплее автосканера появится точно такая же неправдоподобная информация.

Это значит, что полученные коды поломок нужно изучать скептически, не делая поспешных выводов, к примеру, о том, что нужно заменить какую-либо запчасть в автомобиле.

Изучив информацию со сканера, диагност должен разобраться в поломке самостоятельно.

Новейшие сканеры бывают нескольких типов: программные (функционируют лишь вместе с персональным компьютером), а также портативные.

Для повышения эффективности работы автосканера следует подготовить:

• ПК либо нетбук, причем неважно, насколько устройство будет мощное. Нужно лишь, чтобы в компьютере был СОМ-порт (также допустимо использовать переходник СОМ-РСМСІ).
• ПО.
• Адаптер K-Line (обычно оборудование оснащено таким адаптером).

Необходимо понимать, что в зависимости от марки и модели авто протоколы обмена будут разные. Это значит, что нужно выбирать универсальный автосканер либо приобрести сразу 2-3 вида тестеров, подходящих для разных автомобилей.

Оптимальный выбор – купить мультимарочный автосканер, который можно использовать при диагностике всех машин.

Мотор-тестер

Этот тип профессионального оборудования для диагностики автомобилей служит для иных целей. Главная задача мотор-тестера – измерять ключевые характеристики ДВС.

Используя мотор-тестер, диагност может найти все поломки в системе. При помощи данного прибора получится измерить токи датчиков, узнать формы напряжений, осциллограммы давления топлива и определить их баланс, измерить УОЗ, стартерный ток.

Также мотор-тестер позволяет снимать осциллограммы высокого напряжения, по ним получится узнать состояние катушки зажигания, свечных наконечников, ВВ-проводов, компрессию, поломки электронного блока управления.

Следующее преимущество использования такого оборудования – возможность измерить давление в цилиндрах на заведенном моторе.

Алгоритм действий следующий: нужно выкрутить свечу, вместо нее установить датчик давления.

Получив график, диагност сможет узнать:

• состояние цилиндро-поршневой группы;
• правильность установки фаз ГРМ;
• наличие подсоса воздуха во впускном тракте;
• угол опережения зажигания;
• уровень противодавления системы выпуска.

Однако это не весь перечень диагностических процедур, которые можно выполнить с помощью мотор-тестера.

Получив информацию с данного прибора, диагност сможет быстро определить поломку и ликвидировать ее.

В ряде ситуаций удастся выявить межвитковое замыкание форсунок либо обрыв в них.

Измерив величину стартерного тока, получится определить состояние стартера и аккумулятора.

Мотор-тестер позволяет точно продиагностировать работу датчиков и выявить их поломку.

У этого прибора множество преимуществ. В продаже есть разные модели мотор-тестеров, однако цена таких приборов достаточно высока.

Проект «Разработка и создание программно-аппаратного СВЧ-плазменного комплекса для мониторинга, контроля и безопасной эксплуатации маслосистемы двигателей наземного и воздушного назначений»

Проект ИРНИТУ «Разработка и создание программно-аппаратного СВЧ-плазменного комплекса для мониторинга, контроля и безопасной эксплуатации маслосистемы двигателей наземного и воздушного назначений» стал победителем Федеральной целевой программы по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы с общим объемом бюджетного финансирования 100 млн рублей. Индустриальным партнером проекта выступает автомобильная корпорация ПАО «КАМАЗ», которая обеспечивает внебюджетное софинансирование в размере 30 млн руб.

За три года авторский коллектив ученых ИРНИТУ планирует создать мобильный программно-аппаратный СВЧ плазменный комплекс и разработать уникальные технологии диагностики (с достоверностью не менее 90%) узлов трения двигателей и гидросистем, позволяющие прогнозировать техническое состояние узлов и механизмов независимо от типов развивающихся дефектов в автомобильных двигателях «КАМАЗ». Данная технология может быть расширена для диагностики двигателей и гидросистем широкого назначения (авиационных, железнодорожных, корабельных, нефте- и газоперекачивающих станций и т.д.);

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 18 июня 2019 г № 075-15-2019-1369 с Министерством науки и высшего образования Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» в период с 31.05.2018 г по 30.11.2020 г выполнен комплекс прикладных научных исследований и экспериментальных разработок по созданию СВЧ-плазменного комплекса для анализа технических жидкостей, используемых в наземном и воздушном транспорте, а также экспериментального образца бортового датчика регистрации концентрации и размеров частиц износа в моторном масле двигателя КАМАЗ.

Для решения этой задачи необходимо было разработать эскизную конструкторскую документацию, изготовить составные части комплекса, провести исследовательские испытания на стендах, разработать программное обеспечение для управления комплексом и обработки данных. На завершающем этапе проекта были проведены работы, касающиеся решения методических задач и оценки эффективности использования СВЧ-плазменного комплекса для диагностики двигателя, трансмиссии и гидросистемы автомобиля.

На первом этапе

• было проведено математическое моделирование течения плазменного газа в плазмотроне циклонного типа;
• изготовлен стенд для ресурсных испытаний УЗ системы распыления и измерений параметров распыленной жидкости;
• изготовлен стенд для оптимизации элементов СВЧплазменного комплекса;
• разработан и изготовлен экспериментальный образец датчика бортовой системы регистрации концентрации и размеров частиц износа;
• совместно с ИТЦ ПАО «КАМАЗ» разработан и изготовлен стенд для исследования наработки частиц износа в моторном масле двигателя КАМАЗ.

На втором этапе:

• проведено математическое моделирование изгибных процессов распыляющей иглы, при воздействии ультразвуковых колебаний;
• проведено математическое моделирование изгибных процессов распыляющей иглы, при воздействии ультразвуковых колебаний;
• разработан и изготовлен стенд для оптимизации конструкции системы регистрации и выделения импульсного сигнала СВЧ плазменного комплекса;
• изготовлен экспериментальный образец малогабаритного монохроматора для СВЧплазменного комплекса;
• разработан и изготовлен экспериментальный образец СВЧплазменного комплекса;
• разработан алгоритм работы и программное обеспечение для управления СВЧплазменным комплексом и его системами;
• разработана база данных для хранения, обработки и систематизации диагностической информации;
• проведено исследование частиц износа пар трения методами электронной и зондовой микроскопии и методами рентгенофазового и рентгенофлюоресцентного анализа;
• разработан и изготовлен испытательный стенд для исследования наработки частиц износа в гидросистеме автомобиля КАМАЗ;
• разработан и изготовлен распылитель вязких жидкостей с заданными параметрами;
• индустриальный партнер за счет собственных внебюджетных средств разработал технологические регламенты по оценке состояния двигателя, трансмиссии, гидросистемы и технического обслуживания автомобилей.

На третьем этапе:

• определены аналитические возможности СВЧ-плазменного комплекса с оценкой влияния передаточной функции на аналитический сигнал;
• определены критерии параметров частиц изнашивания, характерные для различных типов износа деталей двигателей внутреннего сгорания;
• изготовлены стандартные образцов на основе натуральных частиц изнашивания различных типов двигателей для градуировки СВЧ-плазменного комплекса;
• разработана усреднённая статистическая эталонная модель «исправного автомобильного двигателя»;
• разработаны критерии определения остаточного ресурса двигателя;
• разработан алгоритм и программное обеспечение по автоматизированному принятию диагностического решения;
• разработано методическое руководство по диагностике двигателей, узлов и механизмов, по параметрам частиц изнашивания;
• разработан проект ТЗ на проведение ОКР на тему: «Программно-аппаратный СВЧ-плазменный комплекс для измерения частиц изнашивания в смазочных жидкостях»;
• разработаны предложения и рекомендации по реализации (коммерциализации) результатов проекта, вовлечению их в хозяйственный оборот;
• разработаны учебно-методические материалы по дисциплине «Современные методы диагностики системы смазки и прогнозирование эксплуатационного ресурса двигателей различного назначений» по направлению бакалавриата 25.03.01 – «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей»;
• разработана схема передачи данных с бортового датчика автомобиля в точки сбора данных;
• индустриальный партнер ПАО «КАМАЗ» за счет собственных внебюджетных средств провел оценку эффективности системы диагностирования с использованием данных СВЧ-плазменного комплекса двигателей внутреннего сгорания, трансмиссии и гидросистемы.

При этом были достигнуты следующие значения показателей результативности:

Опубликовано 8 научных работ по результатам проекта в научных журналах, индексируемые в базе данных Scopus и в базе данных «Сеть науки» (WEB of Science).

Зарегистрировано 7 объектов РИД:

1. Патент №2711372 от 16.01.2020 г. на изобретение «Способ измерения размера капель масла», РФ.
2. Патент №187161 от 21.02.2019 г. на полезную модель «Ультразвуковой распылитель», РФ.
3. Патент №193338 от 24.10.2019 г. на полезную модель «Ультразвуковой распылитель», РФ.
4. Патент №193261 от 21.10.2019 г. на полезную модель «Ультразвуковой распылитель вязких жидкостей», РФ.
5. Свидетельство о гос.регистрации №2019662642 от 27.09.2019 г. на программу для ЭВМ «Программа для измерения капель 1.0.0», РФ.
6. Патент №201278 от 23.09.2020 г. на полезную модель «СВЧ-плазмотрон с подогревом распыляемого вязкого масла», РФ.
7. Заявка №2020665125 от 26.11.2020г. на программу для ЭВМ «Программа автоматизации оптического датчика частиц», РФ.

Новости

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Иркутский национальный исследовательский технический университет»

Приемная комиссия: