Автореферат (Численное моделирование электромагнитного управления вектором тяги плазменного двигателя)

На правах рукописи______________Морозов Александр ВалерьевичЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГОУПРАВЛЕНИЯ ВЕКТОРОМ ТЯГИ ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯСпециальность 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмыАВТОРЕФЕРАТДиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре «Прикладная физика» Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета)Научный руководитель:Котельников Михаил Вадимович,доктор физико-математических наук, доцент,профессор кафедры «Прикладная физика»ФГБОУ ВПО «Московского авиационногоинститута (национальногоисследовательского института)» (МАИ)Официальные оппоненты:Киреев Владимир Иванович,доктор физико-математических наук,профессор, профессор кафедры вышейматематики «Московского государственногогорного университета» (МГГУ), заслуженныйдеятель науки РФОбухов Владимир Алексеевич ,кандидат технических наук, старшийнаучный сотрудник, заместитель директора«НИИ Прикладной механики иэлектродинамики» (НИИПМЭ)Ведущая организация:Московский государственный университетприборостроения и информатикиЗащита состоится «13» декабря 2013 года в 14:00 на заседании диссертационногосовета Д212.125.14 при ФГБОУ ВПО «Московском авиационном институте(национальном исследовательском университете)», по адресу: 125993, Москва, А80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московскогоавиационного института (национально исследовательского университета)».Отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим направлять поадресу 125993, Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4Автореферат разослан «___» __________ 2013 гУченый секретарь диссертационного советакандидат физико-математических наук, доцент2Гидаспов В.

Ю.Общая характеристика работыАктуальность проблемы. Решение практических задач поисследованию и освоению космического пространства можно осуществлять сиспользованием электрических ракетных двигателей (ЭРД), в которыхпроисходит ускорение ионизированного рабочего тела. В настоящее время вразличных странах, включая Российскую Федерацию, проводятсяинтенсивные работы по созданию оптимальной конструкции ЭРД,предназначенного для этих целей.

При этом актуальной задачей являетсяуправление вектором тяги движителя как по величине, так и по направлению.Возможны чисто механические методы управления, когда поворачиваетсявесь движитель вместе с соплом или создаются дополнительныеуправляющие сопла, однако такие способы управления вектором тягиоказываются достаточно громоздкими и энергозатратными. Болеепривлекательными могут оказаться электромагнитные методы управления.Например, поворот вектора тяги можно осуществлять с помощьюпоперечногомагнитногополя.Возникающиевэтомслучаеэлектромагнитныесилыотклоняютпотокзаряженныхчастицперпендикулярно вектору скорости и вектору индукции магнитного поля.Экспериментально такие работы были впервые проведены влаборатории Ю.В.

Кубарева в 1963 г. [1] В результате было разработаноустройство управления полетом ракеты с плазменным движителем,отличающееся тем, что для изменения направления полета ракеты путемповорота струи плазмы в нем установлена магнитная система, состоящая изнескольких электромагнитов, симметрично расположенных на кольцевойраме, укрепленной на сопле движителя. Система позволяет создаватьпоперечное магнитное поле, отклоняющее поток плазмы на заданный угол.Изменение направления вектора тяги осуществляется без механическогоповорота сопла движителя ракеты или включения дополнительныхуправляющих движителей. Однако надежной математической моделиуправления направлением вектора тяги плазменного движителя с помощьюмагнитного поля до сих пор не разработано.

Между тем вычислительныеэксперименты совместно с физическими экспериментами позволяют болееэффективно осуществить оптимизацию системы электромагнитногоуправления поворота вектора тяги ЭРД.Целью работы является создание численной модели управлениямодулем и направлением вектора тяги, ее описание и анализ полученныхрезультатов путем численного моделирования задачи о струе плазмы,3истекающей из сопла плазменного движителя и ее взаимодействия смагнитным полем. Основываясь на вышесказанном, можно сделать вывод отом, что задача математического моделирования электромагнитногоуправления вектором тяги является актуальной.1)2)3)4)Основные решаемые задачи:Разработать физико-математические и численные модели для:a.

потока разреженной плазмы, истекающей из сопла прямоугольнойформы;b. потока разреженной плазмы, истекающей их сопла цилиндрическойформы;c. взаимодействия плоского потока разреженной плазмы с поперечныммагнитным полем;d. взаимодействие цилиндрического потока разреженной плазмы сосесимметричным магнитным полем.Разработать и отладить пакеты прикладных программ для перечисленныхвыше случаев.Провести вычислительные эксперименты с целью исследования структурыплазменных потоков (плоского и цилиндрического) и взаимодействия их споперечным и продольным осесимметричным магнитным полем.Наосновеполученныхрезультатовоценитьэффективностьэлектромагнитного управления вектором тяги ЭРД.Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работезаключается в следующем:1) Сформированы физико-математические модели, описывающие накинетическом уровне динамику потока плазмы, истекающей из ЭРД дляслучая цилиндрического и прямоугольного сопла. Модели позволяютучитывать влияние самосогласованного электрического поля на поведениеструи.2) Разработаны вычислительные модели решения поставленной задачи длякаждого из случаев на основе метода крупных частиц Давыдова срешением уравнения Пуассона методом конечных разностей.3) Составлены нуль-мерные модели для наглядного упрощенного решениякаждой из задач.4) На основе алгоритмов, сформированных в рамках разработанныхвычислительных моделей, для каждого из рассматриваемых случаевсозданопрограммноеобеспечение,проведенывычислительные4эксперименты, позволяющие выявить оптимальные режимы управлениявектором тяги ЭРД.Практическая значимость диссертационной работы заключается вследующем: разработанные в первой главе пакеты прикладных программ помоделированию динамики потока плазмы, истекающей из ЭРД спрямоугольным и цилиндрическим соплом, могут найти применениипри исследовании и оптимизации электрореактивных движителей, атакже методов их диагностики. Математические и численные модели взаимодействия потоковразреженной плазмы с поперечным магнитным полем полезны приконструировании поворотных узлов вектора тяги ЭРД; при созданиисистем по нейтрализации энергетического заряда высотных спутников;при исследовании других систем, где встречается поток плазмы впоперечном магнитном поле. Математические и численные модели взаимодействия потока плазмы сосесимметричным магнитным полем могут найти применение присоздании системы по управлению модулем вектора тяги ЭРД.Методы исследования.

В разреженной плазме кинетическое уравнениеВласова решалось методом характеристик, либо методом крупных частицЮ.М. Давыдова. [4] В рассматриваемых задачах токи проводимости исмещения относительно малы и поэтому можно пренебречь собственнымиэлектромагнитными полями. В этих условиях система уравненийМаксвелла сводится к уравнению Пуассона. Его решение на каждомвременном слое осуществляется путем решения методом матричнойпрогонки системы уравнений полученных аппроксимацией исходногоуравнения методом конечных разностей.Положения, выносимые на защиту:1) Физико-математические и вычислительные модели динамики плоских ицилиндрических потоков разреженной плазмы.2) Физико-математические и вычислительные модели взаимодействияпотоков разреженной плазмы с поперечным и продольнымосесимметричным магнитным полем.53) Результаты вычислительных экспериментов по динамике потоковразреженной плазмы и взаимодействию их с внешними магнитнымиполями.Достоверность полученных результатов подтверждается строгостьюприменяемых математических методов, а также совпадением результатов(там, где это возможно) с результатами, полученными в работах другихавторов.