Раскрыты актуальные проблемы проектирования газоразрядных полых высокоэмиссионных катодов (ГПВК). Предложены математическая модель, методика и программа расчетов стационарных рабочих процессов, параметров и характеристик ГПВК. Основные процессы в полости и во внешнем столбе катодов описаны в электрогазодинамическом приближении. Анализ функции распределения быстрых электронов по энергии выполнен средствами физической кинетики. Предложена методика расчета интегральных и локальных характеристик, позволяющая в зависимости от разрядного тока и расхода плазмообразующего газа для избранной схемы катода получить вольт-амперные и вольт-расходные характеристики, зависимости мощности разряда и электронного пучка, а также зависимости температуры различных участков поверхности полости от тока. Разработаны эрозионная модель и расчетно-эмпирическая методика прогнозирования ресурса ГПВК с использованием калибруемой по результатам эксперимента зависимости коэффициента термостимулированного катодного распыления от температуры поверхности и энергии бомбардирующих частиц.

Рассмотрены механизмы и процессы зажигания самостоятельного разряда в газоразрядных приборах при самонагревном запуске. Раскрыты особенности физических процессов (тепловых, газо- и электродинамических, эрозионных), происходящих при зажигании газоразрядных полых высокоэмиссионных катодов (ГПВК). Предложены основные пути решения задач гарантированного запуска ГПВК. Приведены результаты экспериментальных пусковых характеристик и рабочих процессов ГПВК в составе стационарных плазменных двигателей. Разработана математическая модель развития тлеющего разряда в безнакальном катоде-компенсаторе. Изучено влияние параметров вспомогательного поддерживающего разряда, расхода газа и диаметра отверстия диафрагмы на формирование основного разряда. Уделено внимание вопросам оптимизации геометрических и газодинамических параметров безнакального катода-компенсатора и газопроводящего тракта.

Показано, что в настоящее время единственным количественным показателем надежности газорозрядных полых високоэмиссионных катодов (ГПВК) является физический ресурс как детерминированная величина, характеризующая время их безотказной работы. Описан расчетно-экспериментальный способ оценки и методики прогнозирования ресурса ГПВК на основе форсированных и укороченных испытаний. Представлен бесконтактный экспрес-метод измерения скоростей массоуноса материала катода на основе оптической эмиссионной спектроскопии и продемонстрирована эффективность его использования. Описан бесконтактный метод измерений профиля и скорости эрозии элементов ГПВК на основе лазерно-индуцированной флуоресценции.

Разработана диффузионная математическая модель металлопористых катодов (МПК) с использованием объемной плотности атомов активатора на эмитирующей поверхности, позволяющая анализировать влияние макроструктуры губки и других параметров катодов на их эмиссионную способность, с учетом долговременных изменений распределения активатора в основном материале эмиттера. Показано, что применение гетерогенных структур матрицы типа "сэндвич" могут обеспечить повышение эффективности МПК, однако для этого потребуется согласование всего набора параметров катодов. Предложены перспективные направления развития данной модели и продолжения анализа.

Проанализированы известные методы физической надежности и предложен ряд новых путей сокращения объема (времени) испытаний газоразрядных полых высокоэмиссионных катодов (ГПВК) на надежность в номинальном рабочем режиме. Показано, что большинство из рассмотренных методов ускоренных испытаний носит характер научно-обоснованных идей. Приведен перечень основных работ, необходимых для создания методики укороченных испытаний ГПВК на надежность.

Получено математическое выражение для расчета напряжения пробоя при безнакальном запуске газоразрядных полых высокоэмиссионных катодов с внешним поджигом. Показано, что существуют оптимальные соотношения между диаметром диафрагмы, отверстием поджигного электрода и расстоянием между поджигным электродом и диафрагмой, которые обеспечивают минимальные значения напряжения пробоя при различных значениях массового расхода плазмообразующего газа (Хе) через катод.

Приведено численное моделирование формирования самостоятельного тлеющего разряда (СТР) газоразрядных полых высокоэмиссионных катодов (ГПВК). Особое внимание уделено формированию катодного слоя, распределению электрического поля по длине разрядного промежутка. Показана зависимость времени формирования СТР от условий возникновения первичных электронов. Проанализированы способы обеспечения устойчивого зажигания самостоятельного разряда в ГПВК электореактивных двигателей.

Представлены основы расчетно-экспериментальной методики, позволяющей рассчитывать изменения во времени основных локальных и эксплуатационных характеристик газоразрядных полых высокоэмиссионных катодов (ГПВК) электрореактивных двигателей и прогнозировать их ресурс в стационарном режиме работы. Модель эрозии, входящая в состав комплексной математической модели и основанная на теории термостимулированного катодного распыления, обеспечивает необходимую точность прогнозирования ресурса ГПВК при условии экспериментальной калибровки ее параметров. Описаны эксперименты, требующиеся для калибровки модели эрозии. Полуэмпирическая методика прогноза ресурса апробирована при оценке ресурсных характеристик катода КЭ-50Д. Продемонстрировано хорошее совпадение экспериментальных и прогнозируемых результатов.

На базе известной модели температурно-стимулированного катодного распыления (ТСКР) получены математические выражения для определения вероятности разрушения катодов электроракетных двигателей для трех возможных режимов форсированных ресурсных испытаний. Это режимы с независимым изменением основных параметров ТСКР (нагрузки) - температуры катода, плотности ионного потока и энергии ионов. Показано, что предлагаемый метод прогнозирования позволяет широко варьировать параметрами нагружения и результирующими характеристиками при неизменности физического механизма ТСКР. Установлено, что расчетные величины вероятности ТСКР на несколько порядков отличаются от экспериментальных значений коэффициентов катодного распыления. Обсуждены возможные причины расхождения экспериментальных и расчетно-теоретических результатов и пути их устранения.

Теоретически изучается влияние эволюции микроскопического рельефа поверхности в процессе воздействия различных разрушающих факторов на их механизм и интенсивность разрушения. Основное внимание уделено распылению поверхности при бомбардировке медленными атомами. Указаны особенности применения полученных уравнений как при интенсивном нагреве поверхности (сублимация), так и при совместном воздействии высокой температуры и атомной бомбардировки (температурно-стимулированное распыление). Показана правомерность использования анализа модели послойного распыления с учетом атомных ступенек на поверхности и изолированных пятен, принадлежащим другим атомным слоям.