Моделирование процессов ионизации и ускорения рабочего тела в стационарном плазменном двигателе (СПД) с учетом 3-х мерных эффектов

• Автор: Лазуренко, Алексей Викторович
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 115 с. : ил

Содержание

Введение

Список условных обозначений

1. Характеристика рабочих процессов в СПД и основные задачи диссертационной работы

1.1. Анализ основных процессов, протекающих в ускорительном канале и определяющих работу СПД

1.2. Существующие подходы к описанию рабочих процессов в ускорительном канале СПД

1.2.1. Моделирование рабочих процессов

1.2.2. Моделирование магнитного поля в СПД

1.3. Основные направления и задачи диссертационной работы

2. Математическая модель процессов ионизации и ускорения рабочего тела СПД

2.1. Основные положения и допущения модели
2.2. Основные уравнения
2.3. Определение электрического поля
2.4. Динамика электронов
2.5. Граничные условия
2.6. Обезразмеривание уравнений и анализ безразмерных параметров
2.7. Численные методы решения задачи
Разработка и тестирование пакета программ для численного моделирования процессов ионизации и ускорения рабочего тела СПД
3.1. Структура пакета программ и порядок работы с ними
3.2. Методика и программа расчета магнитного поля в СПД
3.2.1. Постановка задачи
3.2.2. Задание граничных условий

3.2.3. Оценка влияния нагрева элементов МС на характеристики магнитного

3.2.4. Численный метод решения задачи
3.2.5. Реализация алгоритма на ЭВМ
3.3. Моделирование процессов ионизации атомов и ускорения ионов в осесимметричном случае
3.3.1. Тестирование пакета прикладных программ на примере СПД-
3.3.2. Моделирование процессов ионизации и ускорения р.т. в моделях
СПД-80М и СПД-140
4. Разработка, исследование модели СПД с управляемым вектором тяги и моделирование процессов ионизации и ускорения рабочего тела в ней
4.1. Разработка и экспериментальное исследование лабораторной модели СПД с усовершенствованной навесной системой управления вектором тяги (НСУВТ)
4.1.1. Разработка лабораторной модели СПД с НСУВТ
4.1.2. Экспериментальное оборудование и методика испытаний
4.1.3. Исследование характеристик СПД-100УВТ
4.1.4. Рекомендации по результатам испытаний СПД-100УВТ
4.2 Численное моделирование процессов ионизации и ускорения рабочего тела в лабораторной модели СПД-100УВТ
4.2.1. Исследование магнитного поля
4.2.2 Результаты численного моделирования
Заключение
Литература
Приложения

Введение
Стационарные плазменные двигатели (СПД) являются электрическими ракетными двигателями (ЭРД) [1]. Они представляют собой так называемые ускорители ионов с замкнутым дрейфом электронов. В зарубежных странах ускорители подобных схем получили название Холловских. В СССР к началу 70-х годов удалось сконструировать лабораторные модели СПД с достаточно высокими интегральными характеристиками и создать первую экспериментальную космическую двигательную установку (ДУ) на базе СПД, получившую название ЭОЛ-1. Первое ее испытание было успешно проведено в СССР на искусственном спутнике Земли (ИСЗ) „Метеор“ в 1972г [2]. Успех этого испытания стимулировал ускоренное развитие разработки СПД для практического их применения на космических аппаратах (КА).
В настоящее время ДУ на базе СПД используются для решения следующих задач на борту геостационарных спутников (ГСС) [3,4]:
- довыведение на расчетную орбиту;
- корректировка положения в направлении запад-восток;
- корректировка положения в направлении север-юг;
- изменение положения ГСС на орбите;
- увод с орбиты по окончании функционирования ГСС.
ДУ на базе СПД-70, СПД-100 устанавливались и устанавливаются на российских ИСЗ типа “Метеор"’, ГСС “Поток“, “Луч“, “Галс“, “Экспресс“, “Ямал-100“, “SES АТ”. Идет осуществление проектов использования СПД или двигателей типа СПД на зарубежных ИСЗ
- “Stentor”, “Astra-1 К”, “Inmarsat-4”, “Intelsat-X”. Разрабатываются ДУ с этими двигателями для решения маршевых задач, в частности, для реализации проекта „Фобос-грунт“ по доставке на Землю грунта со спутника Марса [3,4], а также для реализации европейского научного проекта “SMART-1” [5]. Кроме того, источники плазмы на основе СПД применяются для проведения геофизических экспериментов, а также в наземных технологических установках для обработки поверхности различных материалов [6,7].
Таким образом, применение СПД на КА различного назначения возрастает. Увеличивается также число задач, решаемых ими, и возрастают требования к ним. Это определяет необходимость разработки новых моделей СПД, а также совершенствования конструкции и повышения характеристик существующих СПД. Значительную помощь в решении этих задач могут оказать методы математического моделирования СПД, позволяющие снизить стоимость работ за счет уменьшения объема экспериментальных

2.5. Граничные условия
Для того, чтобы определить функции распределения из системы уравнений (2.2), необходимо задать граничные условия.
Взаимодействие плазмы со стенками разрядной камеры должно протекать в
соответствии с законом сохранения заряда. В СПД стенки разрядной камеры выполнены из
диэлектрика, поэтому в стационарном случае:
*в=^-^=0.- (2-16)
где .I2 и I- нормальные составляющие потоков ионов и электронов, соответственно, на стенки.
При взаимодействии ионов со стенками разрядной камеры принято, что они полностью нейтрализуются, то есть:
£2 = 0 при г=Я1 и г=Я2 . (2.17)
Поток ионов извне в разрядную камеру отсутствует:
{2 = О при 2=0, (2.18)

f2 = 0 при г=Ь . (2.19)

Для атомов принят диффузионный закон взаимодействия со стенками с полной термической аккомодацией. Кроме того, от стенки есть поток нейтрализовавшихся ионов. Для потоков всех частиц на стенках выполняется условие „непротекания“. С учетом сделанных предположений можно записать баланс нейтральных частиц на стенке ^ +1? , где .Г?п, 1,2П - потоки нейтралов и ионов на стенку соответственно, I3 - поток нейтралов от стенки. Тогда, используя выражения для потоков частиц через функции
распределения (2.1), можно получить граничное условие для нейтралов на стенках
разрядной камеры:
(2'20)

,;<о 5;<о
Пз - пристеночная концентрация нейтралов.
Поток газа поступает в разрядную камеру со стороны анода. Предполагается, что атомы газа входят в канал с макроскопической скоростью иь={о,0,и^} и имеют