Диссертация (1103382), страница 17
Текст из файла (страница 17)
На Рис. 54видно, что функция распределения электронов по энергиям имеет завышенную плотность95в средней части. Это проявляется как снижение дисперсии функции и повышенноезначение d .Таким образом можно видеть, что функция распределения электронов вгазоразрядной камере ионного двигателя имеет сложный вид, который формируется подвоздействием различных процессов.
Эти особенности важно учитывать как примоделировании плазмы в данной системе гидродинамическими методами, так и приконструировании и экспериментальных исследованиях ионных двигателей.965.6 Динамика ионной компонентыРаспределение потенциала электрического поля в ГРК ИД определяет динамикуионной компоненты. Ионы, образовавшиеся при ударной ионизации нейтральных атомов,имеют относительно малые скорости. Далее они ускоряются под действием электрическихсил и движутся до столкновения с границами области.
На Рис. 56 показано распределениевеличины и направление ионного потока в основном режиме работы.Рис. 56 Распределение величины и направления ионного потока в ГРК ИДИз рисунка видно, что движение ионов представляет собой «скатывание» с пологогопотенциального максимума. При этом внести вклад в ионный пучок могут только те ионы,которые попадут на эмиссионный электрод.
Таким образом, положение потенциальногомаксимума электрического поля в ГРК оказывает влияние на эффективность работыдвигателя.Анализируя подобные распределения, полученные в результате моделированияразличных режимов работы двигателя, можно в каждом случае выделить «эффективную»область ионообразования внутри ГРК. На Рис. 57 представлен вид этих областей для всехсмоделированных режимов.97Рис. 57 Вид эффективной области ионообразвания в различных режимах работыдвигателяСопоставляя полученные области, можно сделать заключение о том, что размер иформа области некоторым образом коррелируют с эффективностью работы двигателя.
Вчастности, с ростом величины магнитного поля начальная точка данной областисмещается ближе к катоду, тем самым увеличивая площадь эффективной области.Поскольку динамика ионов определяется распределением электрического поля, тоначальная точка области эффективного ионообразования совпадает с положениеммаксимума потенциала электрического поля.В данной задаче магнитное поле не оказывает прямого влияния на движение ионов, аопределяет только траектории электронов. Следовательно, для выявления связи междунапряженностью магнитного поля и положением максимума потенциала электрическогополя нужно рассмотреть траектории первичных электронов на начальном этапе для всехпяти режимов работы, как это показано на Рис.
58.98Рис. 58 Траектории первичных электронов в сравнении с положением зоныэффективного ионообразования и ценой ионаНа этом рисунке прослеживается определенная корреляция между положениемточки магнитного фокуса первичных электронов и положением начальной точки зоныэффективногоионообразования.Такжепрослеживаетсясвязьэтихвеличинсэнергетической ценой иона: цена иона тем ниже, чем ближе к катоду (дальше от ионнойоптики) находится данная точка. На Рис. 59 показано, как удельная длина зоныэффективного ионообазования коррелирует с величиной цены иона.Рис. 59 Корреляция между удельной длиной зоны эффективного ионообазования иценой иона99Здесь удельная длина определялась как отношение расстояния от точки фокуса доэмиссионного электрода к полной длине газоразрядной камеры.
Точки синего светасоответствуют положениям точки фокуса первичных электронов, точки красного цветаопределялись по траекториям ионов.Таким образом, можно заключить следующее. Точка магнитной фокусировкипервичныхэлектроновявляетсялокальныммаксимумомэнергииэлектроннойкомпоненты. Как следствие, активная ионизация в этой области ведет к ростуконцентрацииплазмыивлияетнаположениеточкимаксимумапотенциалаэлектрического поля. В свою очередь, распределение потенциала электрического поляопределяет динамику ионной компоненты и, как следствие, размер и положение зоныэффективногоионообразования,чтопрямовлияетнаэффективностьработыгазоразрядной камеры.Разумеется, параметры эффективности работы двигателя, и в том числе энергия,затрачиваемая на производство ионного пучка, (цена иона) зависят от большого числафакторов и механизмов.
Поэтому выделить четкую количественную взаимосвязь в данномслучае затруднительно. Однако выявленный механизм может быть полезен припроектировании эффективных газоразрядных камер и подобных устройств. Выбравконфигурацию магнитной системы таким образом, чтобы сфокусировать первичныйвысокоэнергичный пучок электронов ближе к задней стенке камеры, можно добитьсяувеличения эффективности работы и, в частности, снижения цены иона.1005.7 Обобщение результатов моделированияДля верификации модели была выбрана газоразрядная камера лабораторной моделиионного двигателя ИД-50.
Проведено моделирование плазмы в ГРК данного двигателя наразличныхрежимахработы.Полученныерезультатыхорошокоррелируютсэкспериментальными данными, что свидетельствует о корректности разработанноймодели.Было выполнено две серии численных экспериментов для каждого из режимов,которые отличались различным подходом к учету влияния источника питания на разряд вГРК. Во втором случае применялась методика, реализующая режим работы источника состабилизацией по току разряда. Было показано, что данное усовершенствование позволяетупростить моделирование и получить более близкую к реальности картину процессов.В ходе моделирования были получены распределения различных параметров плазмыв ГРК. Выполнен анализ распределения электронной компоненты плазмы. Показано, чтораспределение электронов по энергиям в данной системе не является максвелловским иэволюционирует по мере транспорта электронов от катода к аноду. Выявлены основныемеханизмы, изменяющие форму этого распределения.Выявлена корреляция между траекториями первичных электронов на выходе изкатода и ценой иона.
Показано, что смещение точки фокуса траекторий первичныхэлектронов и, соответственно, локального максимума температуры к катоду приводит кувеличению размера зоны эффективного ионообразования.В дальнейшем планируется продолжить работу по усовершенствованию созданноймодели для того, чтобы повысить скорость моделирования. Это необходимо для решенияактуальных задач, связанных с разработкой и усовершенствованием ионных двигателейвысокой мощности.1016 ЗаключениеВ работе описана двухмерная по координате трехмерная по скорости полностьюкинетическая модель плазмы в газоразрядной камере ионного двигателя, основанная наметоде частиц в ячейках. Эта модель включает в себя самосогласованное движение всехкомпонент плазмы в электрическом и магнитном полях.
Компоненты плазмы (электроны,ионы и нейтральные атомы) моделируются как большое количество макрочастиц. Всепараметры плазмы, такие как концентрации частиц, потенциал плазмы, величинынапряженности электрических и магнитных полей и другие, определяются в узлахпрямоугольной равномерной пространственной сетки. Для соотношения распределениямакрочастицсузламисеткиприменяютсяметодыбилинейнойинтерполяции.Распределение магнитного поля в области моделирования определяется заранее спомощью отдельного приложения и полагается статическим. Распределение потенциалаэлектрического поля определяется на каждом шаге по времени решением уравненияПуассона с граничными условиями в виде потенциалов границ области моделирования.Для решения уравнения Пуассона применяется метод последовательной точечной верхнейрелаксации с ускорением по Чебышеву с нечетно-четным обходом узлов.
Интегрированиемалых перемещений частиц на шагах по времени под действием электромагнитных силосуществляется по схеме Бóриса с учетом осесимметричной геометрии областимоделирования. Влиянием магнитного поля на движение ионов пренебрегается, посколькудля таких тяжелых частиц радиус Лармора на порядки превышает характерные размерыобласти моделирования. Взаимодействия между частицами моделируются с помощьюметода Монте-Карло.Для моделирования катода используется методика, основанная на поддержанииквазинейтральности плазмы в соответствующей точке области моделирования. Этаметодика обеспечивает самосогласованное установление тока разряда в зависимости отпараметров плазмы внутри газоразрядной камеры. Применение этой методики позволяетисключить величину тока разряда из граничных условий, сделав ее одним из результатовмоделирования.Разработаннаямодельбылареализованаввидекомплексапрограмм,предназначенных для осуществления численного моделирования и анализа полученныхрезультатов.Анализ результатов моделирования газоразрядной камеры двигателя ИД-50 исравнение их с экспериментальными данными показали, что данная модель адекватноотражает физику процессов, протекающих в ГРК ИД.
Полученные при моделировании102значения интегральных характеристик разряда для различных режимов работы ГРКхорошо коррелируют с измеренными значениями.В результате моделирования были получены распределения различных параметровплазмы внутри ГРК: концентрации компонент плазмы, температуры электронов, частотыионизации и другие. Расположение зоны ионизации и картина потоков ионов внутрикамеры, полученные в численном эксперименте, позволяют исследовать процессы потерьионов на стенках и могут быть полезны для оптимизации существующих и перспективныхконструкций.Было исследовано распределение электронов по энергиям в различных частяхгазоразрядной камеры. Показано, что в общем случае функция распределения несоответствует максвелловской, что обуславливается влиянием двух факторов. Во-первых,в центральной части камеры присутствует пучок высокоэнергетичных электронов,релаксирующий по мере продвижения к аноду. Во-вторых, в области, связанной споверхностью анода магнитными силовыми линиями, преобладает движение электроновпоперек магнитного поля, что приближает ФРЭ к двухмерному виду.Полученные результаты могут быть полезны при оптимизации существующих иразработке перспективных конструкций ГРК ИД.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
