Диссертация (1103382), страница 3
Текст из файла (страница 3)
ЗвенигородМосковской обл., 2017. – С. 237.6. A.S. Lovtsov, D.A. Kravchenko Kinetic Simulation of Plasma in Ion Thruster DischargeChamber. Comparison with experimental data // Procedia Engineering. – 185 (2017) 326331, doi:10.1016/j.proeng.2017.03.3117. D. A. Kravchenko, A. S. Lovtsov and A. G. Tarasov Research of Electron DistributionFunction Traits in Discharge Chamber of Ion Thruster Using “Particle-in-cell” Simulation //EUCASS Proceedings – Milan, Italy, 2017.91 История разработки и исследования ионных двигателей1.1 История применения ионных двигателейНачалом эры электроракетных двигателей можно считать «нулевые» годы ХХ века.В это время Константином Эдуардовичем Циолковским и американским ученымРобертом Годдардом независимо была предложена концепция реактивного ускорения спомощью электрических сил [1]. Активная разработка и исследование ионных двигателейначались спустя 40 лет в 1950-х годах.Впервые ионный двигатель использовался в космическом пространстве в рамкахпрограммы Space Electric Rocket Test 1 (SERT-1) [2].
Один из двух ионных двигателей,разработанных в исследовательском центре Гленна (Glenn Research Centre), показалуспешное функционирование. С тех пор было проведено большое количество испытанийИД в России, Соединенных Штатах, Германии, Японии, Англии. Для достижения высокихпоказателей в мощности двигателей и их ресурсе различными исследовательскимиколлективами усовершенствовались все компоненты двигателя [3].В 1994 году был запущен космический аппарат Japanese Engineering Test Satellite VI(NSSK-VI) с четырьмя ионными двигателями, решающими задачу коррекции орбиты [4].Коммерческое использование ИД в Америке началось в 1997 году с запуска сериикоммуникационных спутников, оснащенных Xenon Ion Propulsion System (XIPS) [3].
В1998 году состоялся запуск первого межпланетного аппарата Deep Space-1 (DS-1),оснащенного ионным двигателем NSTAR [5], [6].Внастоящеевремяионныедвигателисталипривычнымикомпонентамисущественной части космических аппаратов. Начиная с 2006 года для поддержанияорбиты околоземных спутников в эксплуатацию введено более сотни двигателей XIPS [7].Также одними из новейших аппаратов с ИД на борту стали зонд Hayabusa,предназначенный для доставки образца с астроида [8], и аппарат Dawn, оснащенныйдвигателем NSTAR [9].1.2 Ионный двигатель и процессы, протекающие в его газоразрядной камереДля создания тяги в ионном двигателе реализуются три основных процесса:создание плазмы, электростатическое ускорение ионов и зарядовая нейтрализацияионного пучка.
Ионизация рабочего тела, как правило, газообразного ксенона,осуществляется в газоразрядной камере. Далее образовавшиеся ионы ускоряются довысокихскоростейвприложеннойкперфорированным10электродамразностиэлектрического потенциала. Для нейтрализации ускоренного ионного пучка, уносящегоположительный заряд, используется катод-нейтрализатор.Ионные двигатели различают по типам в зависимости от метода получений плазмы вгазоразрядной камере. Наиболее распространенными являются высокочастотные ИД и ИДс разрядом постоянного тока.
Ионные двигатели с разрядом постоянного тока активноразрабатывались в Соединенных Штатах и Англии. К ним относятся такие известныемодели как NSTAR, NASA Evolutionary Xenon Thruster (NEXT), Nuclear Electric Xenon Ionthruster System (NEXIS), XIPS, Miniature Xenon Ion Thruster (MiXI), а такжекауфмановские двигатели T5 и T6, разработанные в Англии.Особое внимание разработке высокочастотных ИД уделялось в Германии и Японии.Двигатель RIT-10, созданный в Германии (University of Giessen), в настоящее времявходит в состав аппарата ARTEMIS. СВЧ-двигатель μ10 японской компании Mitsubishiприменялся в составе аппаратов ETS-VI и Hayabusa.Опыт экспериментальной отработки и эксплуатации ионных двигателей показывает,что наибольшей эффективностью обладают ИД с разрядом постоянного тока [6].
Именноисследованию и разработке ионных двигателей данного типа посвящено наибольшеечисло работ в России.Схема, представленная на Рис. 1, описывает устройство и принцип работы ионногодвигателя с разрядом постоянного тока.Рис. 1 Схема работы ионного двигателя с разрядом постоянного тока11В ионных двигателях такого типа ионизация рабочего тела осуществляетсяэлектронным ударом.
Электроны, эмитированные катодом ГРК и ускорившиеся вприложенной разности потенциалов, обладают достаточной энергией для ионизациинейтральных атомов ксенона. Повышение эффективности ионизации осуществляетсяпутем удержания электронов внутри ГРК с помощью приложенного магнитного поля, дляподдержания которого используются либо магнитные катушки, либо постоянныемагниты.
Конфигурация магнитного поля обычно выбирается таким образом, чтобынаиболее эффективно препятствовать транспорту электронов из середины газоразряднойкамеры на поверхность анода.Для получения тяги ионы, образованные в ГРК, ускоряются электрическим полеммеждуперфорированнымиэлектродамиионно-оптическойсистемы.Внутреннийэлектрод, называемый эмиссионным, поддерживается под катодным потенциалом. Этообеспечивает отражение большей части электронов обратно в плазму и вытягиваниеположительно заряженных ионов.
На второй (ускоряющий) электрод подается высокийотрицательный потенциал относительно катода и, соответственно, первого электрода. Вэлектрическом поле между двумя электродами осуществляется ускорение ионов довысоких скоростей.Трех-электроднаяконфигурацияионно-оптическойсистемыпредусматриваетдополнительный замедляющий электрод. Функция этого электрода заключается впредотвращениираспыленияускоряющегоэлектродаобратнымпотокомионов,образованных в результате перезарядки первичных ионов на нейтральных атомах [10].Несмотря на это, эрозия электродов остается основным фактором, ограничивающимресурс ионного двигателя.
Одним из методов увеличения ресурса двигателя наряду соснижением ускоряющего напряжения и использованием замедляющего электродаявляется выполнение элементов ионно-оптической системы из устойчивых к распылениюматериалов: молибдена, углерод-углеродных композитов или пиролитического графита.В ионных двигателях с разрядом постоянного тока в качестве источниковэлектронов, инициирующих и поддерживающих разряд, используется, как правило, полыйкатод [11].
Это обусловлено его эффективностью и надежностью. Полый катод позволяетсоздать наибольшую плотность тока при меньших энергетических затратах. Недостатокполых катодов, связанный с дополнительным расходом рабочего тела, в данном случае неиграет роли. Ксенон, затраченный на работу катода ГРК, затем оказывается внутригазоразрядной камеры и вносит свой вклад в тягу двигателя.
Второй катод (катоднейтрализатор) располагается снаружи ГРК и служит для компенсации положительногозаряда ионного пучка.121.3 Моделирование как метод исследованияЧисленная модель – это компьютерная программа, работающая на отдельномкомпьютере,суперкомпьютереилимножествевзаимодействующихкомпьютеров(вычислительных узлов), реализующая свойства объекта или понятия в форме, отличнойот реальной, но приближенной к алгоритмическому описанию, включающей наборданных, характеризующих свойства системы и их динамику во времени [12].В последнее время компьютерное моделирование стало обычным инструментомисследования слишком сложных для полного аналитического описания систем во всехотраслях науки и техники. Вычислительные эксперименты, являющиеся заключительнымэтапом подобных работ, позволяют ясно увидеть все детали и особенности процессов,протекающих в объекте исследования.
Особенно значимым это оказывается в тех случаях,когда постановка и проведение эксперимента являются трудоемкими, дорогостоящимиили вовсе невозможными. Так вычислительный эксперимент позволяет заглянуть вфизику процессов, не поддающихся прямому измерению, либо проверить новаторскиеидеи, существующие лишь на бумаге.Плазма как совокупность частиц, проявляющих коллективные свойства, требуетособых подходов к моделированию.
При этом важно понимать, что выбор методикимоделирования той или иной системы основывается как на свойствах самой системы, таки на тех процессах и явлениях, которые требуется исследовать. Симуляция, создаваемая впроцессе моделирования, не является полной копией исследуемой системы. Однаконекоторые ее параметры могут совпадать или коррелировать с аналогичнымипараметрами в реальности. Наша задача заключается в том, чтобы построить модельтаким образом, при котором создаваемые симуляции, будучи неизбежно несовершеннымив некоторых, а то и во многих аспектах, тем не менее позволят исследовать интересующиенас свойства подлинной системы.В общем случае различают аналитическое и имитационное моделирование. Прианалитическоммоделированииизучаютсяматематические(абстрактные)моделиреального объекта в виде алгебраических, дифференциальных и других уравнений,предусматривающихосуществлениеоднозначнойвычислительнойпроцедуры,приводящей к их точному решению.
При имитационном моделировании исследуютсяматематические модели в виде алгоритмов, воспроизводящих функционированиеисследуемой системы путем последовательного выполнения большого количестваэлементарных операций. Забегая вперед, можно отметить, что модель, которой посвященаданная работа, относится ко второму типу.131.4 Методы моделирования динамики плазмыДля описания плазмы как совокупности большого числа частиц применяютсяуравнения Больцмана, дополненные уравнениями Максвелла.
Однако прямое полностьюкинетическое моделирование подобной системы потребовало бы невероятно большойвычислительной мощности. Поэтому для моделирования плазмы прибегают к различнымдопущениям и упрощениям, позволяющим строить модели, приемлемые для реализации.Для нашего класса исследовательских задач, как правило, целесообразно нерассматривать электромагнитные волны. Это справедливо, поскольку для нас важныпроцессы, протекающие на временах, существенно превышающих время прохождениясвета через систему. Иными словами, предполагается, что электрическое и магнитноеполя мгновенно подстраиваются под текущее распределение зарядов и токов в системе.Различаюттриосновныхподходакмоделированиюплазмы[13]:магнитогидродинамические модели, электростатические модели и гибридные модели.В магнитогидродинамическом приближении плазма полагается квазинейтральной, авсепространственныемасштабысущественнопревышаютдебаевскийрадиусэкранирования.
Зарядовая квазинейтральность исключает из рассмотрения механизм,ответственный за возбуждение плазменных колебаний и высокочастотного движениячастиц.Такимзаменяетсяобразом,наописаниеуравнениякомпонентмагнитнойплазмыкинетическимигидродинамики.Основнымиуравнениямиуравнениямимагнитогидродинамических моделей являются уравнения сохранения массы, импульса иэнергии для всех рассматриваемых компонент плазмы, а также уравнения Максвелла. Длярешения уравнений зачастую применяются стандартные конечно-разностные методы [13].Электростатическое приближение, в отличие от магнитной гидродинамики,рассматривает разделение зарядов. Модели плазмы в этом приближении отражаютпроцессы, протекающие на малых пространственных и временных масштабах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
