Математическое моделирование распространения струи стационарного плазменного двигателя в объеме вакуумной камеры

• Автор: Торопов, Григорий Петрович
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 120 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ СТРУЙ СПД
1Л Особенности испытаний электроракетных двигателей в наземных условиях
1.2 Состав остаточной атмосферы в вакуумной камере при работе СПД
1.3 Эмпирические способы оценки параметров, влияющих на работу СПД в вакуумной камере
1.4 Обзор экспериментальных исследований струй СПД в вакуумных камерах и в космосе
1.5 Математические модели для расчета струй-СПД в, вакуумных камерах. Постановка задачи исследования
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СТРУИ СТАЦИОНАРНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ В ВАКУУМНОЙ КАМЕРЕ
2.1 Моделирование уровня динамического вакуума
2.2 Моделирование распределения концентрации первичных ионов
2.3 Моделирование распределения концентрации ионов перезарядки
2.4 Распыление и перепыление материала стенок камеры
2.5 Оценка электрического поля
2.6 Рассмотрение пристеночного слоя
3. РЕАЛИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА СТРУИ ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ В ОБЪЁМЕ ВАКУМНОЙ КАМЕРЫ
3.1 Описание компьютерной программы для расчета распространения струи и характеристик газа в вакуумной камере
3.2 Метод определения характеристик с помощью поверхностного математического анализатора (ПМА)
3.2.1 Определение давления на заданную поверхность ПМА
3.2.2 Определение тяги
3.2.3 Определение плотности тока первичных ионов

3.2.4 Определение плотности тока ионов перезарядки
3.3 Анализ сечения упругого взаимодействия атомов ксенона
3.4 Расчет коэффициентов Клаузинга для труб различного сечения
3.5 Тестирование модели перепыления на полусфере
3.6 Погрешности экспериментальных данных, их влияние на результаты
расчета
4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СТРУЙ СПД В РАЗЛИЧНЫХ
КАМЕРАХ
4.1 Расчет давления и концентрации в вакуумной камере при работе СПД
4.2 Расчет распределения первичных ионов
4.3 Расчеты распыления и перепыления
4.4 Расчет распределения перезарядившихся ионов с учетом электрического

Выводы
Библиографический список
ПРИЛОЖЕНИЯ
A. Начальные и граничные условия для расчета распределения
концентрации нейтральных частиц
Б. Распределение ионов по энергиям в струе СПД
B. Данные для расчета распределения распыленных частиц со стенок
вакуумной камеры
Г. Характеристики вакуумных камер

ВВЕДЕНИЕ
В космической технике все более широкое применение в качестве тяговых модулей находят электроракетные двигатели (ЭРД), в частности одна из их разновидностей — стационарный плазменный двигатель (СПД). Наиважнейшим вопросом разработки и совершенствования СПД, как и любого ЭРД, является проблема наземных испытаний [1].
Одним из основных недостатков наземных испытаний ЭРД является невозможность в полном объеме имитировать условия окружающей среды, характерной для работы двигателя в космическом пространстве. Так, например, концентрация частиц остаточной атмосферы в вакуумных камерах на несколько порядков превосходит реальную концентрацию частиц в космическом пространстве [1,2,3,4,5]. Отличны также от наблюдаемых при эксплуатации двигателей пространственное распределение частиц и состав остаточной атмосферы испытательных стендов. Причиной этого является процесс взаимодействия ускоренных ионов со стенками вакуумных камер, в результате которого образуются обратные потоки атомов рабочего тела, нейтрализовавшегося на стенках, и распыленного с них материала. Эти потоки зависят от геометрии и размеров камеры. Верхний предел распыленных потоков во многом формирует требования для минимальных габаритов вакуумных камер при заданном уровне мощности испытуемого двигателя.
При распространении в объеме вакуумной камеры, струя ускоренных ионов из СПД взаимодействует с хаотично двигающимися нейтральными частицами остаточной атмосферы, образуя перезарядившиеся ионы. Экспериментально подтверждено, что при этом измеряемый ионный ток в ядре струи уменьшается, а на периферии (на углах свыше 30 градусов от оси двигателя) значительно возрастает [6].
Осаждение атомов распыленного материала стенок вакуумных камер может негативно влиять на функционирование изоляторных и электродных узлов ЭРД. В частности, для СПД это оказывает существенное влияние на электро-

Распределение напряженности поля:
Е = -£гас1(ф) (2.28)
Напряженность влияет на траекторию частиц следующим образом:
Рх = дЕх; Рх = ах; = У0/+Ц- (2.29)
То же самое можно расписать для осей у иг.
Электрическое поле может существенно влиять на движение перезаряженных частиц, а также на их скорость. Этот факт учитывается при перерасчете траектории движения перезаряженных частиц.
2.6 Рассмотрение пристеночного слоя В пристеночной области камеры наблюдается быстрое падение потенциала, концентрации электронов и ионов (рис.2.4), а также нарушается условие квазинейтральности.
Рисунок 2.4. Схематическое изображение падения потенциала плазмы и концентраций электронов и ионов в пристеночном слое
Для этих областей использовалась модель, описанная в работе [46]. Данная работа посвящена численному моделированию параметров неравновесной плазмы для зонда Фарадея. Принципы, описанные в данной работе, применимы к пристеночному слою вакуумной камеры.