Диссертация (1103382)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
