Расчетно-экспериментальное исследование высокоэффективных ускоряющих систем ионных двигателей

• Автор: Гаврюшин, Иван Владимирович
• Шифр специальности: 05.07.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 177 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ИОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА (ИОС) ИОННОГО
ДВИГАТЕЛЯ С ГАЗОРАЗРЯДНЫМ ИСТОЧНИКОМ ИОНОВ
1Л. Ионный двигатель и различные типы ИОС
1.2. Формирование и ускорение ионных пучков во внутреннем пространстве ИОС
1.3. Вторичные процессы во внутреннем пространстве ИОС и
в области нейтрализации ионного пучка
1.4. Особенности и методы изучения процесса распыления ускоряющего электрода ИОС
1.5. Постановка задачи
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ И УСКОРЕНИЯ ИОННЫХ ПУЧКОВ В ИОС
2.1. Извлечение ионов из плазмы газового разряда
2.2. Распределение потенциала электростатического поля
во внутреннем пространстве ИОС
2.3. Траектории движения ионов в электростатическом поле
2.4. Распределение объемного заряда ионного пучка
во внутреннем пространстве ИОС
2.5. Форма и местоположение плазменных менисков
2.6. Поток нейтральных частиц во внутреннем
пространстве ИОС
2.7. Результаты расчетов и выводы
ГЛАВА 3. ПОТОК ВТОРИЧНЫХ ИОНОВ НА УСКОРЯЮЩИЙ ЭЛЕКТРОД И РЕСУРС ИОС
3.1. Поток вторичных ионов на ускоряющий электрод
из области нейтрализации ионного пучка

3.2. Поток вторичных ионов на ускоряющий электрод
из внутреннего пространства ИОС
3.3. Распыление ускоряющего электрода и его влияние
на параметры ИОС
3.4. Моделирование физических процессов
в геометрически подобных ИОС
3.5. Результаты расчетов и выводы
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИОС
4.1. Экспериментальный стенд и его основные системы
4.2. Экспериментальное определение потока вторичных ионов на ускоряющий электрод из области нейтрализации
ионного пучка
4.3. Экспериментальное исследование эффективности применения струнно-стержневой ИОС в составе
ионных двигателей малой мощности
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
а - толщина переходного слоя, [м];
0 - диаметр ионного пучка, [м];
е - заряд электрона, [Кл];
Е - напряженность электростатического (электрического) поля, [В/м]; к - шаг сетки, [м];
1 - ток ионов, [А];
/уд - удельный импульс, [м/с]; у - плотность тока, [А/м2];
к - постоянная Больцмана, [Дж/К];
АГФ, Ки А) - коэффициенты подобия потенциала, геометрии, плотности тока; Ку - объемный коэффициент распыления, [м3/Кл];
АГР - коэффициент распыления;
/ - размер щели в ускоряющем электроде, [м];
т - массовый расход, [кг/с];
N - количество частиц; п - концентрация частиц, [1/м3];
по - концентрация нейтральных частиц, концентрация плазмы, [1/м3]; п - нормаль, [м];
д - скорость износа, [м3/с];
Ор - распыляющая способность ионного потока, [м/с];
К - радиус ионного пучка, [м];
5 - площадь, [м2];
1 - время, [с];
Т - температура, [К];
и - разность потенциалов, [В];
V - объем, [м3];
V - скорость, [м/с];

Отношение числа вторичных ионов, ударяющих в ускоряющий электрод, к общему числу образовавшихся вторичных ионов равно 0,28.
При расчете потока вторичных ионов на ускоряющий электрод допускается, что вторичные ионы, которые образовались за пределами обратного плазменного мениска, в области нейтрализации ионного пучка, не возвращаются обратно в ИОС. Поэтому они в расчете не учитываются. Однако, о чем свидетельствуют другие работы [50, 80], поток вторичных ионов из области нейтрализации ионного пучка существует, причем его величина может составлять значительную часть суммарного потока на ускоряющий электрод. Пренебрежение величиной этого потока может заметно повлиять на получаемые результаты.
В работе [92] указывается, что расчетный ток на ускоряющий электрод составил 0,3 мА, в то время как в эксперименте с такой же конфигурацией элементарной ячейки ИОС, ток составил 1,0 мА. Такое несовпадение расчетных и экспериментальных данных может быть обусловлено как не учетом прямого перехвата ионного пучка ускоряющим электродом (о чем указывается в работе), так и не учетом потока вторичных ионов из области нейтрализации ионного пучка.
Описанные физико-математические модели для определения потока вторичных ионов из области нейтрализации ионного пучка не учитывают присутствующего там электрического поля. Экспериментальные и расчетные данные показывают, что напряженность данного поля составляет не более нескольких вольт на метр [62, 68, 78]. Наиболее точная модель, полностью учитывающая все особенности движения образующихся вторичных ионов, подразумевает расчет потенциала электрического поля в области нейтрализации ионного пучка. По трудоемкости значительная доля расчета принадлежит именно расчету электрического поля. Зная распределение потенциала, можно будет проследить движение вторичного иона и определить, попадет он на ускоряющий электрод или нет. Таким образом,