Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
В наши дни квазистационарные сильноточные плазменные ускорители (КСПУ), имеют широкий спектр применения, как в наземных условиях (генерация потоков термоядерных параметров, нанесение покрытий, источник УФ-излучения и т. д.), так и в космических (электроракетные двигатели) [1–4]. Такие устройства состоят из ускорительного канала и накопителя энергии. Принцип действия КСПУ заключается в ускорении плазмы под действием пондеромоторных сил, возникающих вследствие взаимодействия протекающего разрядного тока и его собственного магнитного поля. Ионизация газа может происходить как непосредственно в ускорительном канале, так и в предионизационном устройстве. Однако в последнем случае конструкция становится более габаритной, система питания более сложной, а на систему управления накладываются дополнительные требования по синхронизации ступени предионизации и ступени ускорения.
В данной работе представлена математическая модель абляции диэлектрика в КСПУ, роль которого выполнял абляционный импульсный плазменный двигатель (АИПД). АИПД — электроракетный двигатель, в котором, в качестве рабочего тела, применяется твердый диэлектрик (чаще всего полимер), эродирующий в процессе разряда под воздействием излучения от находящейся в канале плазмы. Разряд в таком двигателе носит характер затухающих колебаний, в процессе которых выделяется энергия, расходуемая на абляцию, ионизацию и ускорения рабочего тела. Варьируя разрядные характеристики, можно влиять на параметры плазмы в канале для достижения наилучших тяговых характеристик [5].
Значительное влияние на параметры плазмы оказывает ее плотность, зависящая от скорости поступления и истечения массы. Существующие модели, описывающие закон изменения потока вещества в КСПУ, не учитывают квазистационарность процессов, что может приводить к неточности в расчетах [3].
Разработанная модель описывает изменение температуры плазмы во время импульса длительностью порядка 6 мкс и вкладываемой в разряд энергией порядка 5 Дж с учетом неоднородности электрического поля и квазистационарного истечения вещества из канала, также была учтена передача теплоты внутри плазмы за счет движения электронной компоненты. Коэффициенты теплопроводности рассчитывались в каждый момент времени путем совместного решения уравнения Саха — Эккерта с поправкой Дебая — Хюккеля и уравнений теплопроводности в плазме в приближении большого канонического ансамбля Гиббса [6]. Для упрощения системы уравнений учитывались только адиабатные электрон-атомные столкновения с передачей импульса, так как их сечение на порядок больше, чем у прочих столкновительных процессов [7].
Моделирование эрозии рабочего тела было разделено на два этапа: нагрев и абляция. При нагреве распределение температуры в теле описывалось решением трехмерного уравнения теплопроводности, после достижения некоторой критической температуры в малом приповерхностном объеме, осуществлялся переход к абляционным процессам, которые рассматривались в рамках модифицированной задачи Стефана.
Для получения характерных параметров разряда была проведена серия экспериментов, в ходе которой были определены временные зависимости силы тока и напряжения в разряде. Также был проведен эксперимент по определению коэффициента отражения рабочего тела в диапазоне длин волн от 400 до 1000 нм.
