Исследование высокочастотного ионного двигателя с прямоточной конфигурацией разрядной камеры

Язык труда и переводы:
УДК:
621.455.4
Дата публикации:
07 декабря 2021, 12:32
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Гордеев Святослав Валерьевич
НИИ прикладной механики и электродинамики, Московский авиационный институт (технический университет)
Канев Степан Васильевич
Московский авиационный институт (технический университет)
Мельников Андрей Викторович
НИИ прикладной механики и электродинамики, Московский авиационный институт (технический университет)
Хартов Сергей Анатольевич
Московский авиационный институт (технический университет)
Аннотация:
С использованием балансовой математической модели рассчитаны параметры высокочастотного ионного двигателя с прямоточной конфигурацией разрядной камеры. В качестве рабочего тела был выбран азот. По результатам сравнения результатов расчета с экспериментальными данными получены расхождения на уровне 20 %. Получены и проанализированы зависимости интегральных характеристик двигателя, таких как тяга и потребляемая мощность от расхода рабочего тела и потребляемой мощности.
Ключевые слова:
прямоточный высокочастотный ионный двигатель, математическая модель, устройство забора атмосферных газов, ионно-оптическая система
Основной текст труда

При снижении высоты орбиты космического аппарата (КА) срок его активного существования снижается вследствие наличия силы аэродинамического сопротивления верхних слоев атмосферы. Эта сила может быть скомпенсирована силой тяги электроракетного двигателя, и, в таком случае, срок активного существования будет ограничен запасом рабочего тела на борту КА. Представляет интерес возможность использования газов верхних слоев атмосферы в качестве рабочего тела для электроракетного двигателя. В этом случае может быть увеличен срок активного существования низкоорбитального КА либо его масса полезной нагрузки [1, 2].

В работе производится исследование высокочастотного ионного двигателя (ВЧИД) с прямоточной конфигурацией разрядной камеры. Экспериментальное исследование прямоточного высокочастотного ионного двигателя при подаче рабочего тела в виде ускоренного потока частиц с параметрами, приближенными к условиям набегающего потока при орбитальном полете сопряжено с рядом технологических трудностей в части экспериментального создания соответствующего потока. Более простым является исследование работы ВЧИД, при которой рабочее тело подается в область ионизации, но имеет возможность истечения как через ионно-оптическую систему, так и через входной узел устройства забора атмосферных газов, то есть ВИЧД с прямоточной конфигурацией разрядной камеры. При такой постановке задачи возможно исследовать узел электрической развязки для изоляции плазмы в разрядной камере, находящейся под потенциалом эмиссионного электрода от элементов конструкции устройства забора атмосферных газов, находящихся под потенциалом корпуса КА. Кроме того, возможно сделать предварительные выводы об области работоспособности такого двигателя, с точки зрения расхода рабочего тела и потребляемой ВЧ-мощности.

Для лучшего понимания процессов, происходящих в разрядной камере ВЧИД прямоточной конфигурации, и для предварительного выбора режимов, требующих экспериментального исследования была разработана упрощенная балансовая математическая модель такого двигателя. В рамках данной модели все параметры плазмы считаются равномерно распределенными по объему разрядной камеры [3]. При моделировании рассчитываются значения концентраций атомов и молекул азота, а также атомарных и молекулярных ионов азота и электронов в разрядной камере. Кроме того, рассчитывается концентрации атомов и молекул азота в объеме устройства забора атмосферных газов (считается, что разряд поддерживается только внутри разрядной камеры).

Модель позволяет рассчитать значения интегральных параметров двигателя, таких как ток пучка ионов, потребляемая ВЧ-мощность, тяга, при заданном значении температуры электронов [4].

Полученные при моделировании значения параметров согласуются с полученными ранее экспериментальными данными. Отличия расчетных и экспериментальных данных не превышают 20 %. С использованием разработанной модели построены и проанализированы зависимости интегральных параметров ВЧИД с прямоточной конфигурацией разрядной камеры.

Литература
  1. DiCara D., Gonzalez del Amo J. RAM Electric Propulsion for Low Earth Orbit Operation: an ESA study // IEPC-2007-162. 30th International Electric Propulsion Conference. Florence, Italy, 2007.
  2. Filatyev A.S., Gordeev S.V., Khartov S.A., Popov G.A., Suvorov M.O. The Concept of a Ramjet Electric Propulsion for a Low-Orbit Spacecraft // IAA/AAS scitech forum 2019 on Space Flight Mechanics and Space Structures and Materials, Advances in the Astronautical Sciences. 2019. Vol. 174. Pp. 245–256.
  3. Gordeev S.V., Kanev S.V., Khartov S.A. Numerical mathematical model for calculating ion density in the gas-discharge chamber of a radio-frequency ion thruster // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1479. 2020. Vol. 012057. DOI: 10.1088/1742-6596/1479/1/012057
  4. Гордеев С.В., Канев С.В., Суворов М.О., Хартов С.А. Оценка параметров прямоточного высокочастотного ионного двигателя // Труды МАИ. 2017. № 96. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=85709 (дата обращения 10.11.2021).
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.