Исследовательская группа из Университета Иллинойс в Урбане-Шампейне, работающая в Инженерном колледже Грейнджер, совершила прорыв в понимании процессов, влияющих на срок службы электрических ионных двигателей. Ионные двигатели, используемые для космических миссий, сталкиваются с проблемой износа из-за процесса, называемого распылением – выбивания атомов с поверхности под воздействием ионов. Прогнозирование этого износа, особенно в условиях, не похожих на космические, является сложной задачей. Команда ученых во главе с профессором Хаком Бенгом Чу, профессором Джошуа Рови и профессором Деборой Левин, при участии бывшего аспиранта Чу, Хуй Трана, разработала и провела уникальный эксперимент, позволяющий точно моделировать и предсказывать срок службы двигателя.
Основная проблема заключается в том, что условия внутри вакуумной камеры, используемой для испытаний двигателей, существенно отличаются от условий открытого космоса. Именно поэтому прогнозы, основанные на лабораторных данных, не всегда точны. Исследователи сосредоточились на процессе распыления, который вызывает повреждение защитных углеродных покрытий на двигателе и стенках испытательной камеры. Чтобы отследить перемещение углеродных частиц, были использованы две пластины с различными изотопами углерода – 12C и 13C. Проведя серию экспериментов, команда смогла подтвердить точность разработанных ими компьютерных моделей, которые используют методы молекулярной динамики и Монте-Карло.
Ключевым фактором, влияющим на разрушение поверхности, оказался угол, под которым углеродные частицы сталкиваются с ней. Было установлено, что при перпендикулярном падении ионов на поверхность, она становится более гладкой, в то время как при наклонном угле на поверхности образуются более зубчатые профили. Самым удивительным открытием было то, что независимо от того, какой тип углерода – кристаллический алмаз, графит или аморфный – используется, при воздействии ионов его структура становится аморфной, что упрощает анализ. Это означает, что моделирование процесса распыления может быть значительно упрощено, так как не нужно учитывать различия в структуре углерода.
Исследование также позволило подтвердить точность расчетов скорости распыления, то есть того, как быстро изнашивается углеродная пленка. Полученные результаты имеют огромное значение для разработки двигателей с более длительным сроком службы. Зная, как угол падения ионов влияет на структуру поверхности, инженеры смогут спроектировать более надежные покрытия, способные выдерживать более интенсивное и длительное воздействие. Разработанные модели и экспериментальные данные позволят создавать поверхности с определенной топологией, которая повысит устойчивость к повреждениям.
В ходе исследования команда использовала ионы ксенона и криптона для имитации условий работы ионного двигателя, а результаты работы были опубликованы в статье «Транспортировка углерода при испытаниях электрических двигателей — I: Многомасштабные вычисления для распыления углерода ионами низкой энергии» на форуме AIAA SCITECH 2024. Статья, датированная 2024 годом, имеет DOI: 10.2514/6. Работа группы была междисциплинарной и охватывала различные области аэрокосмической науки. Профессора Чу, Тран и Левин занимались моделированием, а профессор Рови отвечал за экспериментальную часть.
Использование различных изотопов углерода, моделирование на молекулярном уровне, а также подтверждение результатов моделирования реальными экспериментами – все это является важным шагом вперед. Точное понимание процессов, происходящих при распылении, позволяет не только прогнозировать срок службы ионных двигателей, но и разрабатывать новые материалы и покрытия, которые увеличат их надежность и эффективность. Эти результаты позволяют значительно улучшить проектирование и производство ионных двигателей, делая космические путешествия более доступными и длительными.
Изображение носит иллюстративный характер
Основная проблема заключается в том, что условия внутри вакуумной камеры, используемой для испытаний двигателей, существенно отличаются от условий открытого космоса. Именно поэтому прогнозы, основанные на лабораторных данных, не всегда точны. Исследователи сосредоточились на процессе распыления, который вызывает повреждение защитных углеродных покрытий на двигателе и стенках испытательной камеры. Чтобы отследить перемещение углеродных частиц, были использованы две пластины с различными изотопами углерода – 12C и 13C. Проведя серию экспериментов, команда смогла подтвердить точность разработанных ими компьютерных моделей, которые используют методы молекулярной динамики и Монте-Карло.
Ключевым фактором, влияющим на разрушение поверхности, оказался угол, под которым углеродные частицы сталкиваются с ней. Было установлено, что при перпендикулярном падении ионов на поверхность, она становится более гладкой, в то время как при наклонном угле на поверхности образуются более зубчатые профили. Самым удивительным открытием было то, что независимо от того, какой тип углерода – кристаллический алмаз, графит или аморфный – используется, при воздействии ионов его структура становится аморфной, что упрощает анализ. Это означает, что моделирование процесса распыления может быть значительно упрощено, так как не нужно учитывать различия в структуре углерода.
Исследование также позволило подтвердить точность расчетов скорости распыления, то есть того, как быстро изнашивается углеродная пленка. Полученные результаты имеют огромное значение для разработки двигателей с более длительным сроком службы. Зная, как угол падения ионов влияет на структуру поверхности, инженеры смогут спроектировать более надежные покрытия, способные выдерживать более интенсивное и длительное воздействие. Разработанные модели и экспериментальные данные позволят создавать поверхности с определенной топологией, которая повысит устойчивость к повреждениям.
В ходе исследования команда использовала ионы ксенона и криптона для имитации условий работы ионного двигателя, а результаты работы были опубликованы в статье «Транспортировка углерода при испытаниях электрических двигателей — I: Многомасштабные вычисления для распыления углерода ионами низкой энергии» на форуме AIAA SCITECH 2024. Статья, датированная 2024 годом, имеет DOI: 10.2514/6. Работа группы была междисциплинарной и охватывала различные области аэрокосмической науки. Профессора Чу, Тран и Левин занимались моделированием, а профессор Рови отвечал за экспериментальную часть.
Использование различных изотопов углерода, моделирование на молекулярном уровне, а также подтверждение результатов моделирования реальными экспериментами – все это является важным шагом вперед. Точное понимание процессов, происходящих при распылении, позволяет не только прогнозировать срок службы ионных двигателей, но и разрабатывать новые материалы и покрытия, которые увеличат их надежность и эффективность. Эти результаты позволяют значительно улучшить проектирование и производство ионных двигателей, делая космические путешествия более доступными и длительными.
