Моделирование процессов ионизации и ускорения рабочего тела в стационарном плазменном двигателе (СПД) с учетом 3-х мерных эффектов
![Диссертация: Моделирование процессов ионизации и ускорения рабочего тела в стационарном плазменном двигателе (СПД) с учетом 3-х мерных эффектов](https://westud.ru/work/5099791/cover.png)
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. В первой главе произведен анализ условий протекания рабочих процессов в ускорительном канале СПД, возможные способы их описания, сформулированы основные задачи диссертационной работы и намечены общие подходы к их реализации. Во второй главе описана стационарная трехмерная математическая модель процессов ионизации и ускорения… Читать ещё >
Содержание
- 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 поля.
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-100.
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.
Список литературы
- Д.Гришин, Л. В. Лесков, Н. П. Козлов &bdquo-Электрические ракетные двигатели" -М. Машиностроение, 1975.
- Л.А.Арцимович, И. М. Андронов, Ю. В. Есипчук и др. «Разработка стационарного плазменного двигателя (СПД) и его испытание на ИСЗ „Метеор“ Космические исследования, 1974 г, т. ХН, в. З, стр.451−467.
- G.Popov, V. Kim, V. Murashko et al „Electric Propulsion Subsystem Development and Application in Russia“ in the proceedings of 3rd International Conference „Space Propulsion“, Cannes, France, 2000.
- V.Kim, G. Popov, B. Arkhipov et al „Electric Propulsion Activity in Russia“ paper IEPC-01−005 at the 27-th International Electric Propulsion Conference, Pasadena, California, USA, 2001.
- G.Saccoccia „European Electric Propulsion Activities and Programmes“ paper IEPC-01−006 at the 27-th International Electric Propulsion Conference, Pasadena, California, USA, 2001.
- А.И.Бугрова, В. Ким &bdquo-Современное состояние физических исследований в ускорителях с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения» в сб. Плазменные ускорители и ионные инжекторы, М.:Наука, 1984.
- Н.В.Белан, В. Ким, А. В. Оранский, В. Б. Тихонов &bdquo-Стационарные плазменные двигатели" -Харьков, ХАИ, 1989 г.
- А.И.Морозов, И. В. Меликов &bdquo-О подобии процессов в плазменных ускорителях с замкнутым дрейфом электронов (УЗДП) при наличии ионизации" ЖТФ, 1974, t. XLIV, стр. 544−548.
- И.В.Меликов &bdquo-Расчет равновесных течений в плазменных ускорителях с замкнутым дрейфом электронов (УЗДП)"-ЖТФ, 1974, t. XLIV, стр. 549−555.
- И.В.Меликов, А. И. Морозов &bdquo-Динамика ионов в компенсированных ионных пучках с учетом ионизации и выгорания нейтралов'-Физика плазмы, 1977, т. 3, вып. 2, стр.388−395.
- Б.И.Волков, А. И. Морозов, А. Г. Свешников и др. &bdquo-Численная модель плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов в плоской двумерной области" Препр. ИАЭ № 2945. М&bdquo- 1978.
- А.И.Бугрова, В. К. Харчевников, С. А. Якунин «Основные закономерности рабочего процесса в ускорителе с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения» -Теплофизика высоких температур, 1981, т.19, № 5, стр. 1045−1049.
- А.Г.Свешников, А. П. Федотов, С. А. Якунин «Численное моделирование нестационарных процессов в плазменном ускорителе» Препр. МГУ № 20, 1981.
- С.Н.Асхабов &bdquo-Кинетика частиц многокомпонентной плазмы в ускорителе с замкнутым дрейфом электронов" Физика плазмы, 1983, т. 9, вып. 4, стр.740−746.
- J.M.Fife, M. Martinez-Sanches, J. Szabo «A Numerical Study of Low-Frequency Discharge Oscillations in Hall Thrusters» paper AIAA-97−3052 at the 33rd Joint Propulsion Conference, Seattle, USA, 1997.
- I.D.Boyd, L. Carrigues, J. Koo, M. Keidar «Progress in Development of a Combined Device/Plume Model for Hall Thrusters» paper AIAA-2000−3520 at the 36th Joint Propulsion Conference, Huntsville, USA, 2000.
- Ю.П. Райзер «Физика газового разряда» М.:Наука, 1987.
- F.F.Chen «Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion» Plenum Press, New York, 1984.
- M.Mitchner, Ch.H.Kruger, Jr. «Partially Ionized Gases» John Wiley & Sons, Inc., 1973.
- М.Н.Коган &bdquo-Динамика разреженного газа" М.:"Наука", 1967.
- А.И.Морозов, Ю. В. Есиичук, Г. Н. Тилинин и др. &bdquo-Экспериментальное исследование плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения" -ЖТФ, 1972, XLII, № 1, с.54−63.
- В.А.Смирнов «Энергетический баланс электронов в ускорителе с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения (УЗДП)» Физика плазмы, 1979, т.5, в.2. стр.361−367.
- В.К.Калашников, Ю. В. Саночкин &bdquo-Положительный столб разряда низкого давления с замкнутым холловским током" Физика плазмы, 1985, т.11, вып.10, стр.1247−1255.
- V.I.Baranov, Yu.S.Nazarenko, V.A.Petrosov et al «Energy Model and Mechanisms of Acceleration Layer Formation for Hall Thrusters» paper AIAA-97−3047 at the 33rd Joint Propulsion Conference, Seattle, USA, 1997.
- J.P.Boeuf and L. Garrigues «Low frequency oscillations in a stationary plasma thruster» -Journal of Applied Physics, 1998, vol. 84, Nr. 7, pp. 3541−3554.
- A.M.Bishaev, V. Kim, A.V.Lazourenko «Simulation of Plasma Dynamics in SPT» -Proceedings of 3rd International Conference «Space Propulsion», Cannes, France, 2000.
- V.V.Abashkin, N.V.Blinov, S.V.Irishkov, O.A.Gorshkov «The Influence of Magnetic Field on Work Processes in Low Power Hall Thrusters» IAF-99-S.4.06, 50th International Astronautical Congress, Amsterdam, the Netherlands, Oct. 1999.
- Технический отчет по итогам первого года контракта INTAS-CNES 97−1382 «Discharge ignition and plasma dynamics in closed Hall current thruster used for satellite orbit control», Москва, НИИПМЭ МАИ, апрель 2000 г.
- B.Hamel «Kinetic Model for Binary Gas Mixtures» the Physics of Fluids, 1965, v.8, Nr.3, pp. 418−425.
- А.М.Бишаев, В. Ким &bdquo-Исследование локальных параметров плазмы в ускорителе с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения" ЖТФ, 1978, 48, № 9, стр. 1853−1857.
- Технический отчет по этапу № 1 договора ISTI-97−12 «Разработка и исследование характеристик лабораторной модели СПД-80М» Москва, НИИПМЭ МАИ, март, 1998 г.
- А.М.Бишаев //ЖВМиМФ, 1993, т. ЗЗ, № 7, стр. 1109.
- А.М.Бишаев, В. К. Калашников, В. Ким, А. В. Шавыкина &bdquo-Численное моделирование плазменной струи стационарного плазменного двигателя, распространяющейся в среде низкого давления", Физика плазмы, 1998, т. 24, № 11, стр. 989−995.
- Технический отчет по этапу № 2 договора 3 730 11 в поддержку разработки СПД-140 по контракту с ISTI. Москва, НИИПМЭ МАИ, март, 1999 г.
- V.Kim, V. Kozlov, A. Lazourenko et al «Development and Characterization of Small SPT» -paper AIAA-98−3335 at the 34th Joint Propulsion Conference, Cleveland, Ohio, USA, 1998.
- А.А.Преображенский, Е. Г. Бишард «Магнитные материалы и элементы», 1986.43. «Electronic Materials and Processes Handbook», edit. C.A.Harper, R.N.Sampson, McGraw-Hill, Inc., 1994.
- M.I. Gradoboyev, I.N. Larina, V.A. Rykov and Ye.M. Shakhov «Investigation of the Unsteady Motions of a Viscous Incompressible Fluid in the Cavity of a Rotating Body», Сотр. Maths, and Math. Phys., Vol. 34, No.3,pp. 351−364, 1994.
- Самарский А.А. «Теория разностных схем», M.: Наука, 1972.
- В.Ким, А. В. Лазуренко &bdquo-Численное моделирование магнитного поля в стационарном плазменном двигателе" Матмоделирование, 2001 г, т. 13, № 6, стр.33−38.
- А.А.Шагайда «Метод численного моделирования течений разреженного газа и его применение для расчета электрофизических устройств» Автореф. дисс., М.: ИЦ им. М. В. Келдыша, 2000 г.
- J.M.Haas, A.D.Gallimore «An Investigation of Ion Number Density and Electron Temperature Profiles in a Laboratory-Model Hall Thruster» paper AIAA-2000−3422 at the 36th Joint Propulsion Conference, Huntsville, USA, 2000.
- А.М.Бишаев, В. Ким &bdquo-Исследование влияния конфигурации стенок канала на распределение параметров плазмы в УЗДП" В сб.: Источники и ускорители плазмы, Харьков: ХАИ, 1981, вып5, стр. 3−8.
- G.Guerrini, M. Dudeck, A.N.Vesselovzorov et al. «Characterization of Plasma inside the SPT-50 Channel by Electrostatic Probes» paper IEPC 97−053 at the 27-th International Electric Propulsion Conference, Cleveland, Ohio, USA, 1997.
- Технический отчет по этапу 4.2 контракта ISTI-96−03 Москва, НИИПМЭ МАИ, 1997 г.
- С.Н.Асхабов, М. П. Бургасов, А. Н. Веселовзоров и др. &bdquo-Исследование струи стационарного плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов (УЗДП)" Физика плазмы, 1981, т.7, вып. 1, стр. 225−230.
- П.Н.Жевандров, А. И. Морозов, С. А. Якунин &bdquo-Динамика плазмы, образующейся при ионизации разреженного газа" Физика плазмы, 1984, т. Ю, вып.2, стр.353−360.1.l
- S.Absalamov, V. Andreev, T. Colbert et al. «Measurement of Plasma Parameters in the Stationary Plasma Thruster (SPT-100) Plume and Its Effect on Spacecraft Components» paper AIAA-92−3156, at the 28th Joint Propulsion Conference, 1992.
- Vladimir Kim, Alexander Bishaev, Alexei Lazourenko, Monika Auweter-Kurtz «3-Dimensional Simulation of Plasma Dynamics in SPT» paper IEPC-01−340 at the 27-th International Electric Propulsion Conference, Pasadena, California, USA, 2001.
- Отчет по НИР «Разработка высокоэффективных электроракетных двигателей с регулируемой тягой для управления движением космических аппаратов» Москва, НИИПМЭ МАИ, 2001 г.