Диссертация (Выбор параметров разрядной камеры высокочастотного ионного двигателя)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»На правах рукописиНИГМАТЗЯНОВ ВЛАДИСЛАВ ВАДИМОВИЧВЫБОР ПАРАМЕТРОВ РАЗРЯДНОЙ КАМЕРЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОГОИОННОГО ДВИГАТЕЛЯСпециальность 05.07.05«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательныхаппаратов»Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук, доцентХартов Сергей АнатольевичМосква – 20172ОГЛАВЛЕНИЕВведение…………………………………………………………………………….

5Глава 1……………………………………………………………………………… 111.1 Электроракетные двигатели…………………………………………………... 111.2 Высокочастотный ионный двигатель………………………………………… 171.3 История разработки и исследования ВЧ ИД………………………………… 211.4 Цель и основные задачи работы……………………………………………… 28Глава2Экспериментальныеисследованияразряднойкамерывысокочастотного ионного двигателя……………………………………………. 342.1 Экспериментальное оборудование…………………………………………… 342.1.1 Вакуумный стенд…………………………………………………………….342.1.2 Система подачи рабочего тела……………………………………………… 362.1.3 Система питания и управления высокочастотного ионного двигателя….. 372.2 Исследование влияния материала камер на характеристики ВЧ ИД………. 412.2.1 Выбор материала разрядной камеры………………………………………..

422.2.2 Кварцевое стекло…………………………………………………………….. 442.2.3 Сравнение керамических камер из разных материалов…………………... 462.3 Влияние количества витков индуктора и способа их намотки нахарактеристики ВЧ ИД……………………………………………………………. 492.3.1 Исследования индуктора с одиннадцатью витками……………………….. 502.3.2 Исследования индуктора с семью витками………………………………...

522.3.3 Исследования индуктора с пятью витками………………………………… 542.3.4 Исследования индуктора с тремя витками………………………………… 562.3.5 Обобщение результатов исследования РК с разным числом витковиндуктора…………………………………………………………………………..592.3.6 Выводы……………………………………………………………………..652.4 Влияние формы разрядной камеры на характеристики двигателя…………. 662.4.1 Сравнение цилиндрических и полусферических камер…………………... 6632.4.2 Сравнение конической и полусферической разрядных камер……………. 712.5 Выводы…………………………………………………………………………. 74Глава 3 Инженерная модель индуктивного высокочастотного разряда………..

763.1 Обзор литературы и допущения принятые в модели………………………... 763.2 Балансовая (аналитическая) модель ВЧ ИД…………………………………. 793.2.1 Описание модели…………………………………………………………….. 793.2.2 Поглощение мощности плазмой……………………………………………. 833.3 Электромагнитная модель ВЧ ИД…………………………………………….

853.3.1 Физическое описание взаимодействия электромагнитной волныс плазмой…………………………………………………………………………… 853.3.1.1 Тензор дисперсии………………………………………………………….. 853.3.1.2 Дисперсионное уравнение………………………………………………… 873.3.1.3 Диэлектрическая проницаемость плазмы………………………………... 883.3.1.4 Решение для электромагнитной волны, распространяющейсяв плазме…………………………………………………………………………….. 893.3.2 Расчёт параметров ВЧ разряда на основе электромагнитной модели……903.3.2.1 Определение параметров плазмы………………………………………… 903.3.2.2 Электромагнитная волна в плазме. Поглощение мощности разрядом… 943.3.3 Определение локальных характеристик разряда………………………….. 963.3.3.1 Определение локальных параметров плазмы по радиусу……………….

963.3.3.2 Баланс мощности в разряде……………………………………………….. 973.4 Модели большей размерности………………………………………………..98Глава 4 Сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных1004.1 Аналитическая модель………………………………………………………… 1004.1.1 Расчет затрат мощности для лабораторных моделей ВЧ ИД……………...

1004.1.2 Сравнение расчетных и экспериментальных данных для двигателя ESAXX-Ion Thruster…………………………………………………………………….. 1034.1.3 Сравнение расчетных и экспериментальных данных для двигателя RIT35 LPX……………………………………………………………………………… 11144.2 Электромагнитная модель…………………………………………………….. 1164.2.1 Одномерный расчёт плазмы для двигателя RIT35………………………… 1164.3 Двумерное моделирование ВЧ разряда……………………………………….

1224.4 Вывод…………………………………………………………………………...125Заключение………………………………………………………………………… 126Список сокращений и условных обозначений…………………………………... 128Список литературы………………………………………………………………... 1315ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследованияВ последнее время тенденции в развитии современных и перспективныхкосмических аппаратов (КА) связаны с ростом их энерговооруженности и сроковактивногосуществования,увеличенияполезнойнагрузки,расширенияноменклатуры КА по массе (от «кубсатов» до тяжелых спутниковых платформ).Все это обуславливает расширение задач для бортовой двигательной установки(ДУ), повышение требований к двигателям с точки зрения их эффективности,надежности и совместимости с подсистемами КА.Для большинства перспективных задач космической техники возникаетпотребность в создании двигателей нового поколения, характеризующихся, вчастности, более высоким значением удельного импульса тяги (до 20000…30000м/с и выше), высоким КПД и длительным временем работы.

Решение этихпроблем возможно при использовании электроракетных двигателей (ЭРД). Кнастоящему времени созданы различные типы ЭРД, отличающиеся и способомускорения рабочего тела, и режимом работы (импульсный или непрерывный).СредивсехмодификацийЭРДнаиболееэффективнымиявляютсяэлектростатические двигатели (ЭСД). В ЭСД рабочее тело в виде положительнозаряженных частиц (ионов) ускоряется в электростатическом поле, на выходе издвигателя струя ионов нейтрализуется потоком электронов, истекающих изнейтрализатора, с целью сохранения нулевого электрического потенциала КА.Классическим представителем ЭСД является плазменно-ионный двигатель (ИД).

Внем функционально разделены область генерации плазмы – разрядная камера (РК)и область ускорения ионов – ионно-оптическая система (ИОС). Для ионизациирабочего тела применяются электрический разряд постоянного тока – ИД по схемеКауфмана, или высокочастотный разряд (ВЧ) – высокочастотный ионныйдвигатель (ВЧ ИД). Последний имеет некоторые преимущества перед ИД по схемеКауфмана, а именно:6 в разрядной камере ВЧ ИД в отличие от ИД схемы Кауфмана реализуетсябезэлектродный индукционный ВЧ разряд, характеризующийся низкимпадением потенциала между плазмой и ограничивающими ее элементами.ЭтопредотвращаетраспылениеионамиматериаластенокРКиэмиссионного электрода ИОС; отсутствие источника электронов – катода в разрядной камере (РК), такжеповышает ресурсные характеристики и надежность ВЧ ИД.

Двигатель проств изготовлении и эксплуатации; в ВЧ ИД нет необходимости в удерживании электронов дополнительныммагнитным полем – эффективность генерации ионов достаточно высока, чтоизбавляет от необходимости иметь относительно тяжелый узел магнитнойсистемы; тягой ВЧ ИД легко управлять, задавая значения, как расхода рабочего тела,так и подведенной ВЧ мощности; в разрядной камере ВЧ ИД количество многократно ионизованных атомовмало, вследствие низкой температуры электронов.

Так экспериментальнодоказано, что количество двукратно ионизованных атомов в данномдвигателе не превышает 1%.Вместе с тем ВЧ ИД обладает и недостатками, среди которых наиболеесущественным является более высокие затраты мощности на ионизацию (порядка300-400 Вт/А), чем у ИД по схеме Кауфмана (150-200 Вт/А), что приводит кснижению полного КПД двигателя.С учетом этого, актуальной и востребованной задачей для разработокперспективных моделей ВЧ ИД является снижение затрат на ионизацию и, темсамым, повышение конкурентоспособности двигателя по сравнению с ИД.Диссертационная работа посвящена анализу влияния конструктивныхэлементов РК на интегральные характеристики двигателя.

Выбор направленияисследования основан на недостаточной изученности влияния конструкции РК нахарактеристики двигателя и, в частности, на ионообразование.7Целью работы является повышение степени ионизации рабочего тела ВЧИД за счет более эффективного ввода ВЧ мощности в разрядную камеру и, какследствие, увеличение ионного тока двигателя.Для достижения данной цели решались следующие задачи: Исследование влияния способа намотки индуктора на ионизацию ввысокочастотном разряде. Исследование влияния формы РК на величину ионного тока ВЧ ИД. Определение влияния материала РК на эффективность ионизации в ееобъеме. Разработкаматематическоймоделисвязывающейинтегральныехарактеристики ВЧ ИД с параметрами плазмы в РК и проведение ееверификации с использованием экспериментальных данных. Выработка рекомендаций для проектирования разрядных камер ВЧ ИД.Научная новизна работы состоит в следующем: Получены экспериментальные данные о зависимости ионообразования вВЧ ИД от геометрии индуктора и формы разрядной камеры. Экспериментальнопоказаноотсутствиевлияниематериалакерамических стенок разрядной камеры ВЧ ИД на энергозатраты приобразовании ионов. Разработана математическая модель связи интегральных характеристикВЧ ИД и параметров разряда в РК и предложен упрощенный алгоритмрасчета энергозатрат для данной схемы двигателя.Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том,чтобылипредложеныитеоретическиобоснованыпутиповышенияэффективности высокочастотных ионных двигателей при изменении формыразрядной камеры и способа намотки индуктора.

Также была разработана8математическая модель связывающая интегральные характеристики ВЧ ИД спараметрами разряда в РК, позволяющая с минимальными временными иматериальными затратами определять основные размеры разрядной камеры.Помимо этого продемонстрирована возможность изготовления стенок разряднойкамеры ВЧ ИД из различных керамик с малыми радиационными потерями,позволяющих снизить затраты на изготовление РК при исследовательскихиспытаниях двигателя.