Диссертация (Кинетическая модель плазмы в газоразрядной камере ионного двигателя), страница 2

Для отработки того или иного конструкторскогорешения необходимы весьма дорогостоящие производственные операции. Также высокастоимостьиэкспериментальнойотработкиизделия.Применениечисленногомоделирования позволяет еще на этапе конструирования предсказать параметры работыдвигателя, осуществить проверку конструкторских решений и доработок.Численное моделирование может быть полезно для решения задачи определенияресурсных характеристик ионного двигателя.

Даже для небольших двигателей прямоепрохождение ресурсных испытаний требует больших затрат времени и средств. А дляионных двигателей высокой мощности такая наземная отработка и вовсе может оказатьсяневозможной из-за высоких требований к стендовой базе.Ионный двигатель является достаточно сложной системой. Условно все процессы,протекающие в нем, можно разделить на протекающие в газоразрядной камере, в ионнооптической системе, в полом катоде и в струе двигателя.

Для решения задач, связанных сразвитием тематики ИД, требуется создание математических моделей каждой из этихсистем.Процессы, протекающие в газоразрядной камере (ГРК) ионного двигателя,обуславливают ионизацию рабочего тела, которое в дальнейшем ускоряется в ионнооптической системе. Совершенство конструкции ГРК как определяет эффективностьионного двигателя в целом, так и оказывает влияние на ресурс его работы.Моделированию процессов, протекающих в плазме ГРК ИД, и посвящена данная работа.Существующие модели плазмы в газоразрядной камере ионного двигателя сразрядом постоянного тока хотя и являются достаточно качественными, все же имеют ряднедостатков.

Эти модели либо пренебрегают важными особенностями исследуемойсистемы, либо существенно опираются на экспериментальные данные. Так или иначе,надежный инструмент для оптимизации конструкции газоразрядных камер и ихапробации на этапе разработки до сих пор не создан.Таким образом, цель данной работы заключается в создании и апробации моделиплазмы в газоразрядной камере ионного двигателя с разрядом постоянного тока,позволяющей как исследовать процессы, протекающие в данной системе, так и проводитьоптимизацию существующих и разрабатываемых конструкций.5Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:1. Разработка модели плазмы в газоразрядной камере ионного двигателя с разрядомпостоянного тока;2. Разработка и реализация программно-математического пакета, позволяющего вчисленном эксперименте осуществлять моделирования плазмы в различныхконфигурациях газоразрядных камер ионного двигателя, получая распределенияпараметров плазмы и интегральные характеристики;3.

Проведение моделирования газоразрядной камеры существующего двигателя,сравнениерезультатовмоделированиясрезультатамиэкспериментаиисследование структуры разряда на основании полученных результатов.Научная новизна работы:1. Создана численная модель, описывающая динамику плазмы в газоразряднойкамереионногодвигателясразрядомпостоянноготокасучетомвнутриплазменных и пристеночных процессов, которая не требует заданияизвестных из эксперимента параметров плазмы.2.

При моделировании плазмы в газоразрядной камере ионного двигателя впервыеучтено поведение источника питания разряда, работающего в режиме стабилизациипо току, с помощью включения в модель уравнения внешней цепи.3. Впервые для моделирования плазмы методом частиц в ячейках (Particle-in-Cell илиPIC) в газоразрядной камере ионного двигателя применены методики ускорениярасчета, основанные на выборе индивидуального шага по времени для частиц изадании начальных условий, близких к искомому стационарному решению.4. Наоснованиианализарезультатовмоделированиявыявленымеханизмы,ответственные за отклонение от распределения Максвелла и анизотропию функциираспределения электронов по скоростям в газоразрядной камере ионногодвигателя.5.

Впервые исследована корреляция между положением точки фокуса траекторийпервичных электронов и эффективностью работы газоразрядной камеры ионногодвигателя.Практическая значимость работы состоит в том, что создан инструмент,позволяющийнаэтаперазработкиоптимизироватьконструкциюиповыситьхарактеристики ионного двигателя. Это позволяет существенно сократить затраты,требуемые на разработку новых и усовершенствование существующих моделейдвигателей, поскольку становится возможным оценить их эффективность и ресурс безпроведения натурных экспериментов.6Положения, выносимые на защиту:1. Включение в модель плазмы в газоразрядной камере ионного двигателяуравнения внешней цепи в виде обратной связи, осуществляющей стабилизациюпо току разряда, и методики самосогласованной эмиссии первичных электронов скатода позволяют проводить моделирование плазмы в газоразрядной камереионного двигателя без задания получаемых из эксперимента параметров плазмы.Учет стабилизации по току разряда упрощает начальный этап моделирования ипрепятствует «погасанию» разряда.2.

Вгазоразряднойкамереионногодвигателянаблюдаетсязначительнаяанизотропия электронной компоненты. В центральной части камеры преобладаетдвижение вдоль аксиальной координаты, вызванное движением первичныхэлектронов на начальных участках их траекторий.3. В прианодной области достаточно долго могут оставаться только те электроны,которые имеют малое значение компоненты скорости вдоль направлениясиловых линий магнитного поля.

Из-за быстрого падения на анод электронов,движущихся вдоль магнитного поля, возникает анизотропия электроннойкомпоненты, и распределение электронов по скоростям приближается кдвумерному виду.4. Положение точки фокуса траекторий первичных электронов определяетположениелокальногомаксимумакинетическойэнергииэлектронов.Существует корреляция между положением этой точки и размерами зоныэффективного ионообразования (области внутри газоразрядной камеры, ионы,образованные в которой, попадают на эмиссионный электрод). На примереисследованного ионного двигателя при увеличении размеров этой зоны путемсмещения точки фокуса дальше от ионной оптики за счет вариациинапряженностиитопологиимагнитногополядостигаетсяснижениеэнергетических затрат на создание ионного пучка (энергетической цены иона)с 529 до 337 Вт/А.Апробация работы и научные публикации.Диссертация выполнялась в течение 2012–2017 годов в Центре Келдыша.

Основныерезультаты данной работы докладывались на XLI Международной (Звенигородской)конференции по физике плазмы и УТС (г. Звенигород, 2014); на 6-ой Российскогерманской конференции «Электроракетные двигатели, их применение в космосе иперспективы развития»; на XLIV Международной (Звенигородской) конференции по7физике плазмы и УТС (г.

Звенигород, 2017); на седьмой европейской конференции поаэронавтике и космическим исследованиям (г. Милан, 2017); на научно-техническомсеминаре Московского авиационного института (Латышевские чтения); на научномсеминаре кафедры физической электроники МГУ; на научно-техническом семинареотдела электрофизики Центра Келдыша. Основные результаты работы изложены в трехпечатных работах и в ряде отчетов по НИР.Структура и объем диссертации.Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. В работеприводится 59 рисунков, 3 таблицы. Список литературы содержит 92 ссылки.Во введении показана актуальность работы, сформулированы ее цели и решаемыезадачи, научная новизна и практическая ценность.

Представлены положения, выносимыена защиту. Кратко изложено содержание диссертации по главам.В первой главе приведен обзор истории разработки и использования ионныхдвигателей.Выполняетсяописаниепринципаработыиосновныхпроцессов,протекающих в двигателях. Также выполнен обзор работ по численному моделированиюплазмы в данном устройстве.Во второй главе на основании обзора работ осуществляется выбор методикимоделирования.

Выполняется постановка математической модели. В рамках полностьюкинетического подхода поставлены уравнения, составляющие ядро математическоймодели. Также определена система граничных условий.Третья глава посвящена описанию численной реализации математической модели.В ней описываются область моделирования и общий алгоритм. Детально описываютсяметодики моделирования отдельных физических процессов, протекающих в плазмегазоразрядной камеры ионного двигателя.В четвертой главе приводятся результаты тестирования отдельных ключевыхалгоритмов, лежащих в основе комплекса моделирующих программ.Описание моделируемого двигателя, результаты моделирования и их анализсодержатся в пятой главе.В заключении кратко излагаются основные особенности модели, обобщаютсяполученные результаты и формулируются выводы на их основе.

Определяются путидальнейших работ.8Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:1. Кравченко Д.А. Кинетическая модель динамики плазмы в газоразрядной камереионного двигателя // Сборник тезисов докладов XLI Международной (Звенигородской)конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу / ЗАО НТЦ«ПЛАЗМАИОФАН» – г. Звенигород Московской обл., 2014.

– С. 220.2. Кравченко Д. А. Кинетическая модель плазмы в газоразрядной камере ионногодвигателя и сравнение результатов моделирования с результатами зондовых измерений// Известия Российской академии наук. Энергетика. – 2014. – №6. – С. 10-17.3. Кравченко Д. А. Кинетическая модель плазмы в газоразрядной камере ионногодвигателя // Прикладная физика. – 2015. – №5. – С. 26-32.4. A.S.

Lovtsov, D.A. Kravchenko Kinetic Simulation of Plasma in Ion Thruster DischargeChamber. Comparison with experimental data // 6th Russian-German Conference on ElectricPropulsion and Their Application, Russia, Samara, 2016.5. Кравченко Д.А. Исследование плазмы в газоразрядной камере ионного двигателя спомощьючисленногомоделирования//СборниктезисовдокладовXLIVМеждународной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и управляемомутермоядерному синтезу / М.: ЗАО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН» – г.