Механизмы образования ионов промежуточных энергий в струях стационарных плазменных двигателей

Авиационная и ракетно-космическая техника

Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

2020. Т. 27. № 3. С. 186-197.

DOI: 10.34759/vst-2020-3-186-197

Авторы

Надирадзе А. Б. *, Фролова Ю. Л. **

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Волоколамское шоссе, 4, Москва, A-80, ГСП-3, 125993, Россия

*e-mail: nadiradze@mai.ru
**e-mail: ylfrolova@yandex.ru

Аннотация

Представлены результаты анализа угловых и энергетических распределений ионов средних энергий в струях стационарных плазменных двигателей. Показано, что содержание этих ионов составляет около 35% полного ионного тока струи, а их вклад в тягу – 25%. Установлено, что ионы средних энергий образуются в зоне разряда и в ближней зоне струи. Влияние фонового давления вакуумной камеры на содержание этих ионов незначительно. Приведена модель генерации ионов средних энергий за счет упругого рассеяния. Получено хорошее совпадение с экспериментом как по угловому распределению, так и по энергетическим спектрам ионов при коэффициенте рассеяния, равном 0,4.

Ключевые слова:

стационарный плазменный двигатель, параметры струи, энергетический спектр, угловое распределение, ионы средних энергий, модель рассеяния

Библиографический список

  1. Торопов Г.П., Хартов С.А. Модель распространения струи плазменного двигателя при его испытаниях в вакуумной камере с учетом влияния электрического поля // Вестник Московского авиационного института. 2011. Т. 18. № 2. С. 83-88.

  2. Торопов Г.П., Хартов С.А. Математическая модель распространения струи плазменного ускорителя в объеме вакуумной камеры // Вестник Московского авиационного института. 2008. Т. 15. № 4. С. 25-34.

  3. Ким В.П., Надирадзе А.Б., Попов Г.А., Ходненко В.П., Шишкин Г.Г. Проблемы применения электроракетных двигателей на космических аппаратах // Панасюк М.И., Новиков Л.С. (ред.) Модель космоса: Научно-информационное издание: В 2-х т. Т. 2: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. – М.: Книжный дом Университет, 2007. С. 615-659.

  4. Кожевников В.В., Надирадзе А.Б., Назаренко И.П. Фролова Ю.Л., Хартов С.А. Лабораторные исследования струй электроракетных двигателей зондовыми методами // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2018. № 4. С. 150-153.

  5. Надирадзе А.Б., Фролова Ю.Л., Зуев Ю.В. Калибровка конической модели струи стационарного плазменного двигателя по интегральным параметрам двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 4. С. 144-155. DOI: 10.34759/vst-2019-4-144-155

  6. Архипов А.С., Ким В.П., Сидоренко Е.К. Стационарные плазменные двигатели Морозова. – М.: Издво МАИ, 2012. – 290 с.

  7. Absalamov S.K., Andreev V.B., Colbert T. et. al. Measurement of plasma parameters in the stationary plasma thruster (SPT-100) plume and its effects on spacecraft components // 28th Joint Propulsion Conference and Exhibit (06 July 1992 – 08 July 1992, Nashville, TN, U.S.A.). AIAA-92-3156. DOI: 10.2514/6.1992-3156

  8. Горшков О.А., Муравлев В.А., Шагайда А.А. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / Под ред. академика РАН А.С. Коротеева. – М.: Машиностроение, 2008. – 278 с.

  9. Kim S.W. Experimental investigations of Plasma parameters and Species-dependent ion energy distribution in the plasma exhaust plume of a hall thruster. A dissertation for the degree of Doctor of Philosophy (Aerospace Engineering). The University of Michigan, 1999, 241 p.

  10. Ким В.П., Меркурьев Д.В., Сидоренко Е.К. Исследование параметров плазмы и радиальных потоков ионов вблизи выходной плоскости стационарного плазменного двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2014. Т. 21. № 1. С. 95-103.

  11. Архипов А.С. Исследование характеристик струй стационарных плазменных двигателей (СПД) при повышенных разрядных напряжениях: Дисс. ... канд. техн. наук. – М.: МАИ, 2010. – 150 с.

  12. Sullivan R.M., Torrey P.A., Johnson L.K. Investigation of High-Energy Ions with High-Angle Trajectories in Hall Thruster Plumes // 30th International Electric Propulsion Conference (17-20 September 2007, Florence, Italy). IEPC-2007-31.

  13. Azziz Y. Experimental and Theoretical Characterization of a Hall Thruster Plume. A dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in Aeronautics and Astronauticsin the field of Space Propulsion. The University of Michigan, 2007, 230 p.

  14. Diamant K.D., Curtiss T.J., Spektor R., Beiting E.J. Performance and Plume Characterization of the BHT-1500 Hall Thruster // Joint Conference of 30th International Symposium on Space Technology and Science 34th International Electric Propulsion Conference and 6th Nano-satellite Symposium (4–10 July 2015, Hyogo-Kobe, Japan). IEPC-2015-69?ISTS-2015-b-69.

  15. Mikellides I.G., Ortega A.L., Chaplin V.H., Snyder J.S. Facility pressure effects on a Hall thruster with an external cathode, II: theoretical model of the thrust and the significance of azimuthal asymmetries in the cathode plasma // Plasma Sources Science and Technology. 2020. Vol. 29. No. 3. DOI: 10.1088/1361—6595/ab6c7f

  16. Spektor R., Tighe W.G., Stoltz P.H., Beckwith K.R.C. Facility effects on hall thruster performance through cathode coupling // 34rd International Electric Propulsion Conference (6-10 July 2015, Kobe, Japan). IEPC-2015-309?ISTS-2015-b-309.

  17. Huang W., Kamhawi H., Haag T. Effect of background pressure on the performance and plume of the HiVHAc hall thruster // 33rd International Electric Propulsion Conference (6–10 October 2013, Washington, D.C., USA). IEPC-2013-058.

  18. Diamant K.D., Liang R., Corey R.L. The effect of background pressure on SPT-100 hall thruster performance // 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference (28-30 July 2014, Cleveland, OH). AIAA-2014-3710. DOI: 10.2514/6.2014-3710

  19. Бугрова А.И., Ким В.П. Современное состояние физических исследований в ускорителях с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения // Плазменные ускорители и ионные инжекторы: Сб. ст. — М.: Наука, 1984. С. 107-129.

  20. Смирнов П.Е., Хартов С.А., Кашулин А.П. Экспериментальное исследование работы катода-нейтрализатора с высокочастотным разрядом // Вестник Московского авиационного института. 2018. Т. 25. № 2. С. 117-124.

  21. Katz I., Jongeward G., Davis V., Mandell M., Mikellides I., Dressler R., Boyd I., Kannenberg K., Pollard J., King D. A Hall effect thruster plume model including large-angle elastic scattering // 37th Joint Propulsion Conference and Exhibit (08-11 July 2001, Salt Lake City, UT, U.S.A.). AIAA 2001-3355. DOI: 10.2514/6.2001-3355

  22. Sullivan R.M., Shepherd J.E., Scharfe M.K., Mikellides I.G., Johnson L.K. Effect of Wall Sheaths on Ion Trajectories in a Hall Thruster Numerical Model // 31st International Electric Propulsion Conference (20–24 September 2009, University of Michigan, USA). IEPC-2009-131.

  23. Mikellides I.G., Katz I., Kuharski R.A., Mandell M.J. Elastic Scattering of Ions in Electrostatic Thruster Plumes // Journal of Propulsion and Power. 2005. Vol. 21. No. 1, pp.111-118. DOI: 10.2514/1.5046

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2020