|
2.
Зависимость
от пробивного напряжения
152
«Молодой учёный»
.
№ 7 (111)
.
Апрель, 2016 г.
Технические науки
Распределение нейтрального газа в двигателе с анодным слоем
Рахимов Руслан Геннадьевич, студент
Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана
В статье проводится исследование распределения нейтрального газа в анодном узле двухступенчатого
холловского двигателя. В результате численного расчета методом конечных элементов рассмотрены не-
сколько вариантов конструкции анодного узла двигателя; рассчитаны параметры потока газа для каждого
случая; подсчитаны неоднородности потока по азимуту на входе в разрядные ступени. Представлена наи-
более оптимальная геометрия анодного узла для стабильной работы двигателя.
Ключевые слова
: электроракетный двигатель, метод конечных элементов, холловский двигатель, ано-
дный узел, распределение нейтрального газа, плазма.
И
сследования и разработка электроракетных хол-
ловских двигателей, основанных на движении элек-
тронов в скрещенных электромагнитных полях, были
начаты еще в середине 60-х годов прошлого века и про-
должаются до настоящего времени. Такие двигатели
нашли широкое применение как маршевые двигатели
малой тяги на космических аппаратах, а также для кор-
ректировки орбит геостационарных спутников [1,2]. Мо-
дифицированная схема холловского двигателя использу-
ется в качестве технологического источника ионов [3].
Еще на первом этапе разработки выделились две схемы
холловского двигателя. Одна из которых имела металли-
ческие стенки разрядной камеры — двигатель с анодным
слоем (ДАС), другая — диэлектрические стенки — стаци-
онарный плазменный двигатель (СПД).
Одной из наиболее перспективных модификаций
ДАС является его двухступенчатая схема. Основная от-
личительная особенность этого двигателя состоит в том,
что в нем разнесены области ионизации и ускорения ионов.
Это позволяет устранить недостатки одноступенчатой
модели: неравномерность распределения пучка ионов
по энергиям и высокая теплонагруженность анода [4].
Из-за различия масс и кинетических энергий ионов, осо-
бенно для рабочих веществ с низкими атомными мас-
сами и газовых смесей, происходит расхождение и азиму-
тальная закрутка пучка ионов. Следствием чего является
потеря тягового КПД двигателя. Для решения проблемы
азимутального поворота ионов применяют дополни-
тельную компенсационную магнитную систему [5–7].
Большое количество статей об исследовании про-
цессов, происходящих в электроракетных двигателях, по-
священы параметрам разряда, конфигурации магнитных
полей, эрозии электродов, распределению плотности
плазмы и ионному току. Однако, динамике и распреде-
лению нейтрального газа в анодном узле в литературе уде-
лено мало внимания [8,9], хотя, для стабильной работы
двигателя на стационарных режимах необходима высокая
азимутальная однородность распределения атомов ра-
бочего вещества на входе в анодный узел разрядной сту-
пени. Динамика рабочего газа обычно описывается та-
кими параметрами, как распределение плотности частиц,
скорость и поток нейтральных атомов, которые непосред-
ственно связаны с различными параметрами плазмы. Оп-
тимальное распределение рабочего вещества может поло-
жительно повлиять на производительность, срок службы
и стабильность работы двигателя.
В данной работе исследовался двухступенчатый двига-
тель с анодным слоем (ДАС), имеющий дополнительную
магнитную систему для компенсации азимутального пово-
рота ионов (рис. 1).
Анодный узел (рис. 1) двигателя служит одновременно
как положительным электродом, так и газовым распре-
делителем. Его геометрия имеет существенное влияние
на динамику потока нейтральных атомов в разрядной ка-
мере. Из-за особенности конструкции, в газораспре-
делительном канале содержится три изолятора, распо-
ложенные под углом 120
0
относительно друг друга. Эта
особенность приводит к усложнению геометрии электрод-
ного узла, а также к возможности «запирания» газа в об-
ластях между изоляторами.
В ходе исследования рассматривалось влияние си-
стемы подачи газа и геометрии анодного узла на рав-
номерность распределения потока нейтральных атомов
на входах и выходах ступеней двигателя. Был поставлен
численный эксперимент в котором двигатель находился
в условиях вакуума (порядка 10
–5
Па). Рабочим газом был
аргон, с молекулярной массой
M
= 0,0399 кг / моль, ко-
торый подавался в анодный узел посредством штуцеров,
с массовым расходом
кг / с. При рас-
смотренном давлении длина свободного пробега гораздо
больше, чем размеры канала, поэтому течение газа рас-
сматривалось как свободно молекулярное. При этом число
Кнудсена много больше единицы, атомы газа взаимодей-
ствуют с стенками канала чаще, чем между собой, и поток
газа определяется в основном столкновениями с поверх-
ностями.
Расчет производился методом конечных элементов.
Предполагалось, что поток квазистационарный, время
пролета частиц через геометрию гораздо больше, чем из-
менение всех потоков, на каждом временном шаге ча-
стицы поступают из источника мгновенно.
На границы канала накладывалось условие равенства
между входящим потоком и потоком, отраженным от стен
канала.
Do'stlaringiz bilan baham: |
