Диссертация (Кинетическая модель плазмы в газоразрядной камере ионного двигателя)

Государственный научный центрФедеральное государственное унитарное предприятие«Исследовательский центр имени М.В. Келдыша»На правах рукописиКравченко Дмитрий АлександровичКИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПЛАЗМЫВ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ КАМЕРЕ ИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ01.04.08 – Физика плазмыДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель –кандидат физико-математических наукЛовцов Александр СергеевичМосква - 2017ОГЛАВЛЕНИЕВведение................................................................................................................................4123История разработки и исследования ионных двигателей .....................................101.1История применения ионных двигателей .......................................................101.2Ионный двигатель и процессы, протекающие в его газоразрядной камере 101.3Моделирование как метод исследования ........................................................131.4Методы моделирования динамики плазмы .....................................................141.5Моделирование плазмы в газоразрядной камере ионного двигателя ..........161.6Моделирование близких по параметрам плазменных устройств .................201.7Основные результаты обзора работ по моделированию ИД .........................22Постановка модели ...................................................................................................242.1Выбор методики моделирования......................................................................242.2Область моделирования ....................................................................................252.3Моделируемые процессы ..................................................................................262.4Плазма в электростатическом приближении ..................................................272.5Столкновения между частицами ......................................................................282.6Граничные условия ............................................................................................292.7Методика задания начальных условий ............................................................312.8Методика упрощения моделирования плазмы методом частиц в ячейках ..332.9Обобщение постановки модели........................................................................35Численная реализация модели .................................................................................363.1Область устойчивости решения .......................................................................363.2Общий алгоритм моделирования .....................................................................383.3Задание параметров моделирования ................................................................393.4Построение расчетной области ........................................................................403.5Алгоритм шага по времени ...............................................................................413.6Взаимосвязь локальных и сеточных величин .................................................42243.7Расчет потенциала электрического поля .........................................................443.8Интегрирование движения макрочастиц .........................................................473.9Методика индивидуального подбора шага по времени для макрочастиц ...493.10Моделирование столкновений..........................................................................513.11Взаимодействие макрочастиц с границами области моделирования ...........543.12Моделирование катода ......................................................................................553.13Учет влияния источника разряда .....................................................................583.14Обобщение численной реализации модели.....................................................59Тестирование численных алгоритмов .....................................................................604.1Тестирование алгоритмов сеточной интерполяции .......................................604.2Тестирование алгоритмов расчета электрического поля ...............................614.3Тестирование алгоритмов движения макрочастиц.........................................644.4Тестирование алгоритмов взаимодействия макрочастиц с границамиобласти моделирования ..........................................................................................................6654.5Тестирование алгоритмов взаимодействия между макрочастицами ...........684.6Обобщение результатов тестирования вычислительных алгоритмов ..........69Результаты моделирования ......................................................................................705.1Моделируемый ионный двигатель ...................................................................705.2Параметры и схема области моделирования...................................................735.3Интегральные параметры работы газоразрядной камеры .............................745.4Распределения параметров плазмы ..................................................................795.5Особенности электронной компоненты плазмы .............................................865.6Динамика ионной компоненты .........................................................................975.7Обобщение результатов моделирования .......................................................1016Заключение ..............................................................................................................1027Список литературы .................................................................................................1053ВведениеВ настоящее время актуальные требования к характеристикам космическихаппаратов (КА) обуславливают необходимость разработки новых более совершенныхдвигательных установок.

Возрастающая энерговооруженность аппаратов и высокиетребования к запасу характеристической скорости делают направление электроракетныхдвигателей (ЭРД) одним из наиболее перспективных. Именно ЭРД, обладающие высокимудельным импульсом тяги и длительным ресурсом работы, позволяют решать задачикоррекции орбиты, ориентации аппарата и выступать в качестве маршевых двигателей.Эффективноерасходованиетопливаэлектроракетнымидвигателямипозволяетсущественно экономить массу аппарата и увеличить долю полезной нагрузки.У научных центров России есть богатый опыт разработки, эксплуатации иусовершенствованияразличныхразновидностейэлектроракетныхдвигателей.Наибольших успехов наша ракетно-космическая отрасль добилась в направленииплазменных двигателей с замкнутым дрейфом электронов (холловских двигателей). Средивсех классов ЭРД эти двигатели выгодно отличаются конструктивной простотой ивысокой плотностью тяги.Ионные двигатели (ИД), исследованию физических процессов в которых посвященаданная работа, также являются одной из разновидностей ЭРД.

Именно ионные двигателиобладают наибольшим удельным импульсом из всех активно использующихся в составеКА двигателей. Это делает их чрезвычайно востребованными для создания новыхэкономичных и эффективных аппаратов.К сожалению, отечественная космонавтика не имеет богатого опыта разработки иэксплуатации ИД. Однако в настоящее время это направление развивается все болееактивно.

Создание эффективных и надежных ионных двигателей требуется как дляразработки современных многофункциональных орбитальных аппаратов, так и дляреализации таких амбициозных проектов, как создание тяжелых энерговооруженныхплатформ с широким спектром задач и длительным сроком активной службы.Для успешной разработки и усовершенствования ионных двигателей необходимопонимание физики процессов, протекающих в плазме двигателя. В подобной системе,имеющей сложную геометрию и топологию магнитного поля, применение аналитическогоподхода весьма затруднено.

Для получения адекватной физической картины процессов,определяющих эффективность работы двигателя, целесообразно прибегнуть к численномумоделированию. Численное моделирование как инструмент исследования способно содной стороны учесть весь спектр процессов, протекающих в разряде и на его границах, и4с другой стороны наглядно получить те параметры разряда, определение которых вэксперименте затруднено, а то и вовсе невозможно.Инженерно-экспериментальный подход к разработке ионных двигателей требуетбольших затрат времени и ресурсов.