Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Устройства, работающие на основе высокочастотного индуктивного разряда, нашли широкое применение в различных технологических процессах [1, 2]. Кроме того, ВЧ разряд используется для ионизации рабочего тела в одном из типов электроракетных двигателей — высокочастотном ионном двигателе (ВЧИД). К настоящему времени ВЧИД уже успешно эксплуатировался на борту космических аппаратов «EURECA» и «ARTEMIS» [3, 4].
В ВЧИД электромагнитное поле, поддерживающее индуктивный разряд, возникает при протекании переменного тока через медный индуктор, который намотан на боковую поверхность разрядной камеры (РК), выполненной из радиопрозрачного материала (преимущественно из оксида алюминия или нитрида кремния). Свободные электроны в плазме набирают энергию в электромагнитном поле и при соударениях с атомами рабочего тела (РТ) ионизуют их. Часть образовавшихся ионов пролетает в отверстия электродов ионно-оптической системы (ИОС) и за счет наличия электростатического поля, возникающего в результате приложенной к электродам ИОС разности потенциалов, ускоряется и фокусируется в межэлектродном зазоре, создавая тягу.
Остальная часть ионов выпадает на внутреннюю поверхность разрядной камеры и на граничащую с плазмой поверхность эмиссионного электрода ИОС, приводя к потерям части вкладываемой в плазму ВЧ мощности. Величина этих потерь определяет эффективность работы ВЧИД и его тяговые характеристики. Для снижения этих потерь целесообразно уменьшение ограничивающей плазму поверхности РК и эмиссионного электрода ИОС, на которую могут выпадать заряженные частицы. Однако, при таком уменьшении площади будет также уменьшаться и полезный объем, который необходим для эффективной ионизации атомов РТ. Поэтому для нахождения оптимальной формы основных элементов конструкции ВЧИД необходимо проводить теоретические или экспериментальные исследования.
К настоящему времени уже рассматривались различные формы РК: цилиндрические, конические, полусферические, и т.п. При этом форма электродов ИОС во всех моделях двигателей была плоской или близкой к ней. Небольшую кривизну электродов в ИОС использовали для обеспечения стабильности межэлектродного зазора при их термопластической деформации во время работы двигателя. При использовании плоских электродов будет наблюдаться наименьший поток не ионизовавшихся атомов РТ, покидающих через ИОС РК. Также, при плоской геометрии ИОС на должном уровне будет обеспечиваться коэффициент использования РТ и минимальный угол расходимости ионного пучка. Однако, в двигателях большую значимость, по сравнению с расходимостью пучка, имеет величина тяги. Поэтому в рамках данной работы был проведен расчетный анализ с целью нахождения оптимальной формы РК и электродов ИОС, которые потенциально могут обеспечить прирост тяговых характеристик. При этом также рассматривались электроды со значительной кривизной. Критерием оптимизации являлась тяга.
Расчетный анализ различных конфигураций ВЧИД выполнялся с помощью инженерной численной модели [5]. В ней рассчитываются распределения основных параметров плазмы по объему РК (температуры электронов, концентрации заряженных частиц и атомов РТ), а также интегральные характеристики двигателя (коэффициент использования РТ, извлекаемый ионный ток, цена ионизации и тяга). Тяга определяется интегрированием бомовского тока по площади отверстий эмиссионного электрода ИОС.
Были рассмотрены двигатели с диаметром пучка 8 см и 16 см. Сравнение тяги конфигураций ВЧИД с различными формами РК и электродов ИОС производилось с классической схемой двигателя с полусферической РК и плоскими электродами.
Параметрами оптимизации при расчетах являлись высота РК и прогиб электродов ИОС. При изменении формы основных элементов конструкции наблюдалось перераспределение параметров плазмы по объему РК. Для двигателя с диаметром пучка 8 см была найдена форма РК и электродов ИОС, которые, согласно расчету, смогут обеспечить прирост тяги на более чем 5 %. Для ВЧИД с диаметром пучка 16 см при использовании оптимизированной формы рассматриваемых элементов конструкции прирост тяги может составить более 14 %.
Заметное увеличение тяги способствует продолжению исследований в данном направлении. При достижении значимых результатов может быть рассмотрен вопрос о введении предложенной методики предварительного расчета формы основных элементов двигателя в процесс создания изделия отдельным этапом.
