Автореферат (Кинетическая модель плазмы в газоразрядной камере ионного двигателя)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиКравченко Дмитрий АлександровичКинетическая модель плазмыв газоразрядной камере ионного двигателя01.04.08 – Физика плазмыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2017Работа выполнена в Государственном научном центре Федеральномгосударственном унитарном предприятии «Исследовательский центр имениМ.В. Келдыша»Научный руководитель:кандидат физико-математических наукЛовцов Александр СергеевичОфициальные оппоненты:Коваленко Юрий Алексеевич, д.ф.-м.н.,последняя занимаемая должность –генеральный директор Всероссийскогоэлектротехнического институтаим.

В.И. ЛенинаМарахтанов Михаил Константинович,д.т.н., проф., зав. кафедрой плазменныхэнергетических установок Московскогогосударственного техническогоуниверситета им. Н.Э. БауманаКралькина Елена Александровна, д.ф.-м.н.,ведущий научный сотрудник кафедрыфизической электроники физическогофакультета Московского государственногоуниверситета им. М.В. ЛомоносоваЗащита состоится «14» декабря 2017 года в 16:30 на заседаниидиссертационного совета МГУ.01.12 Московского государственногоуниверситета имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва,Ленинские горы, д.

1, стр. 2, Физический факультет МГУ, ауд. СФА.E-mail: igorkartashov@mail.ruС диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций научнойбиблиотеки МГУ имени М.В.Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27) и насайте ИАС «ИСТИНА»: http://istina.msu.ru/dissertation_councils/councils/34133295/Автореферат разослан «13» ноября 2017 года.Ученый секретарь диссертационного совета МГУ.01.12,кандидат физико-математических наукИ.Н.Карташов2Общая характеристика работыАктуальность работыДля решения современных задач, стоящих перед отечественнойкосмонавтикой, требуется разработка новых электроракетных двигателей(ЭРД), обладающих высокой эффективностью, надежностью и длительнымресурсом работы.

Ионные двигатели (ИД), являющиеся одним из типов ЭРД,обладают наиболее высоким КПД и востребованы как в составе небольшихоколоземных аппаратов с длительным сроком активного существования, таки в составе тяжелых энерговооруженных платформ.Газоразрядная камера (ГРК) ионного двигателя является источникомионов рабочего тела, ускорение которых до высоких энергий осуществляетсяв ионно-оптической системе двигателя. Эффективность работы ГРК ИДопределяет как КПД двигателя, так и его ресурс. Численное моделированиеплазмы в ГРК ИД является важным инструментом для отработки иусовершенствования существующих и создания новых перспективныхионных двигателей.

Прежде всего, модель ГРК, дополненная моделью ионнооптической системы, позволяет прогнозировать ресурс конструкциидвигателя. Учитывая то, что требуемый ресурс ионных двигателей составляетдесятки тысяч часов, выполнение прямых ресурсных испытаний являетсячрезвычайно дорогим и длительным. Вторым важным аспектом,обосновывающим необходимость разработки комплекса моделирующихпрограмм, является то, что моделирование позволяет оптимизироватьконструкцию ионного двигателя еще на этапе разработки.

И, наконец,моделирование критически важно для исследования физики процессов,протекающих в плазме, поскольку позволяет получить такие параметры,непосредственное измерение которых в эксперименте либо очень трудоемко,либо вовсе невозможно.

Очевидно, что численное моделирование,дополняющее экспериментальные исследования и опирающееся на ихрезультаты, необходимо для прогресса в разработке ИД в частности иэлектроракетных двигателей в целом.Таким образом, задача разработки численной модели плазмы в ГРК ИД,учитывающей все основные процессы и особенности, характерные дляданной системы, является актуальной. Решение этой задачи существенноупростит усовершенствование существующих и разработку новых ионныхдвигателей.Цель данной работы: создание и апробация модели плазмы вгазоразрядной камере ионного двигателя с разрядом постоянного тока,позволяющей как исследовать процессы, протекающие в данной системе, таки проводить оптимизацию существующих и разрабатываемых конструкций.3Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:1. Разработка модели плазмы в газоразрядной камере ионного двигателя сразрядом постоянного тока;2.

Разработка и реализация программно-математического пакета,позволяющеговчисленномэкспериментеосуществлятьмоделирование плазмы в различных конфигурациях газоразрядныхкамер ионного двигателя, получая распределения параметров плазмы иинтегральные характеристики;3. Проведение моделирования газоразрядной камеры существующегодвигателя, сравнение результатов моделирования с результатамиэксперимента и исследование структуры разряда на основанииполученных результатов.Научная новизна работы:1.

Создана численная модель, описывающая динамику плазмы вгазоразрядной камере ионного двигателя с разрядом постоянного токас учетом внутриплазменных и пристеночных процессов, которая нетребует задания известных из эксперимента параметров плазмы.2. При моделировании плазмы в газоразрядной камере ионного двигателявпервые учтено поведение источника питания разряда, работающего врежиме стабилизации по току, с помощью включения в модельуравнения внешней цепи.3.

Впервые для моделирования плазмы методом частиц в ячейках(Particle-in-Cell или PIC) в газоразрядной камере ионного двигателяприменены методики ускорения расчета, основанные на выбореиндивидуального шага по времени для частиц и задании начальныхусловий, близких к искомому стационарному решению.4. На основании анализа результатов моделирования выявленымеханизмы, ответственные за отклонение от распределения Максвеллаи анизотропию функции распределения электронов по скоростям вгазоразрядной камере ионного двигателя.5. Впервые исследована корреляция между положением точки фокусатраекторий первичных электронов и эффективностью работыгазоразрядной камеры ионного двигателя.Практическая значимость работыСоздан инструмент, позволяющий на этапе разработки оптимизироватьконструкцию и повысить характеристики ионного двигателя.

Это позволяетсущественно сократить затраты, требуемые на разработку новых иусовершенствование существующих моделей двигателей, посколькустановится возможным предварительно оценить их эффективность и ресурсбез проведения натурных экспериментов.41.2.3.4.Положения, выносимые на защиту:Включение в модель плазмы в газоразрядной камере ионного двигателяуравнения внешней цепи в виде обратной связи, осуществляющейстабилизацию по току разряда, и методики самосогласованной эмиссиипервичных электронов с катода позволяют проводить моделированиеплазмы в газоразрядной камере ионного двигателя без заданияполучаемых из эксперимента параметров плазмы.

Учет стабилизации потоку разряда упрощает начальный этап моделирования и препятствует«погасанию» разряда.В газоразрядной камере ионного двигателя наблюдается значительнаяанизотропия электронной компоненты. В центральной части камерыпреобладает движение вдоль аксиальной координаты, вызванноедвижением первичных электронов на начальных участках их траекторий.В прианодной области достаточно долго могут оставаться только теэлектроны, которые имеют малое значение компоненты скорости вдольнаправления силовых линий магнитного поля. Из-за быстрого падения наанод электронов, движущихся вдоль магнитного поля, возникаетанизотропия электронной компоненты, и распределение электронов поскоростям приближается к двумерному виду.Положение точки фокуса траекторий первичных электронов определяетположение локального максимума кинетической энергии электронов.Существует корреляция между положением этой точки и размерами зоныэффективного ионообразования (области внутри газоразрядной камеры,ионы, образованные в которой, попадают на эмиссионный электрод).

Напримере исследованного ионного двигателя при увеличении размеровэтой зоны путем смещения точки фокуса дальше от ионной оптики засчет вариации напряженности и топологии магнитного поля достигаетсяснижение энергетических затрат на создание ионного пучка(энергетической цены иона) с 529 до 337 Вт/А.Апробация работы и научные публикацииДиссертациявыполняласьвтечение2012–2017годовв Центре Келдыша. Основные результаты данной работы докладывались наXLI Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы иУТС (г.

Звенигород, 2014); на 6-ой Российско-германской конференции«Электроракетные двигатели, их применение в космосе и перспективыразвития»; на XLIV Международной (Звенигородской) конференции пофизике плазмы и УТС (г. Звенигород, 2017); на седьмой европейскойконференции по аэронавтике и космическим исследованиям (г. Милан, 2017);на научно-техническом семинаре Московского авиационного института(Латышевские чтения); на научном семинаре кафедры физическойэлектроники МГУ; на научно-техническом семинаре отдела электрофизикиЦентра Келдыша.

Основные результаты работы изложены в трех печатныхработах и в ряде отчетов по НИР.5Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и спискалитературы. Общий объем – 111 страниц, работа содержит 3 таблицы,59 рисунков и список литературы из 92 наименований.Содержание работыВо введении показана актуальность работы, сформулированы ее цели ирешаемые задачи, научная новизна и практическая ценность. Представленыположения, выносимые на защиту.