Математическое моделирование распространения струи стационарного плазменного двигателя в объеме вакуумной камеры тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Торопов, Григорий Петрович

• Торопов, Григорий Петрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Торопов, Григорий Петрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ СТРУЙ СПД.

1.1 Особенности испытаний электроракетных двигателей в наземных условиях.

1.2 Состав остаточной атмосферы в вакуумнойкамере при работе СПД.

1.3 Эмпирические способы оценки параметров, влияющих на работу СПД в вакуумнойкамере.

1.4 Обзор экспериментальных исследований струй СПД в вакуумных камерах и в космосе.

1.5 Математические модели для расчета струй* СПД в, вакуумных камерах. Постановка задачи исследования.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СТРУИ СТАЦИОНАРНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ В ВАКУУМНОЙ КАМЕРЕ.

2.1 Моделирование уровня динамического вакуума.

2.2 Моделирование распределения концентрации первичных ионов.

2.3 Моделирование распределения концентрации ионов перезарядки.

2.4 Распыление и перепыление материала стенок камеры.

2.5 Оценка электрического поля.

2.6 Рассмотрение пристеночного слоя.

3. РЕАЛИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА СТРУИ ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ В ОБЪЁМЕ ВАКУМНОЙ КАМЕРЫ.

3.1 Описание компьютерной программы для расчета распространения струи и характеристик газа в вакуумной камере.

3.2 Метод определения характеристик с помощью поверхностного математического анализатора (ПМА).

3.2.1 Определение давления на заданную поверхность ПМА.

3.2.2 Определение тяги.

3.2.3 Определение плотности тока первичных ионов.

3.2.4 Определение плотности тока ионов перезарядки.

3.3 Анализ сечения упругого взаимодействия атомов ксенона.

3.4 Расчет коэффициентов Клаузинга для труб различного сечения.

3.5 Тестирование модели перепыления на полусфере.

3.6 Погрешности экспериментальных данных, их влияние на результаты расчета.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СТРУЙ СПД В РАЗЛИЧНЫХ КАМЕРАХ.

4.1 Расчет давления и концентрации в вакуумной камере при работе СПД.

4.2 Расчет распределения первичных ионов.

4.3 Расчеты распыления и перепыления.

4.4 Расчет распределения перезарядившихся ионов с учетом электрического поля.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование распространения струи стационарного плазменного двигателя в объеме вакуумной камеры»

В космической технике все более широкое применение в качестве тяговых модулей находят электроракетные двигатели (ЭРД), в частности одна из их разновидностей — стационарный плазменный двигатель (СПД). Наиважнейшим вопросом разработки и совершенствования СПД, как и любого ЭРД, является проблема наземных испытаний [1].

Одним из основных недостатков наземных испытаний ЭРД является невозможность в полном объеме имитировать условия окружающей среды, характерной для работы двигателя в космическом пространстве. Так, например, концентрация частиц остаточной атмосферы в вакуумных камерах на несколько порядков превосходит реальную концентрацию частиц в космическом пространстве [1,2,3,4,5]. Отличны также от наблюдаемых при эксплуатации двигателей пространственное распределение частиц и состав остаточной атмосферы испытательных стендов. Причиной этого является процесс взаимодействия ускоренных ионов со стенками вакуумных камер, в результате которого образуются обратные потоки атомов рабочего тела, нейтрализовавшегося на стенках, и распыленного с них материала. Эти потоки зависят от геометрии и размеров камеры. Верхний предел распыленных потоков во многом формирует требования для минимальных габаритов вакуумных камер при заданном уровне мощности испытуемого двигателя.

При распространении в объеме вакуумной камеры, струя ускоренных ионов из СПД взаимодействует с хаотично двигающимися нейтральными частицами остаточной атмосферы, образуя перезарядившиеся- ионы. Экспериментально подтверждено, что при этом измеряемый ионный ток в ядре струи уменьшается, а на периферии (на углах свыше 30 градусов от оси двигателя) значительно возрастает [6].

Осаждение атомов распыленного материала стенок вакуумных камер может негативно влиять на функционирование изоляторных и электродных узлов ЭРД. В частности, для СПД это оказывает существенное влияние на электропроводящие и эмиссионные свойства поверхности керамической разрядной камеры [7].

Комплексные экспериментальные исследования указанных явлений при испытаниях СПД достаточно трудоемки и не всегда дают однозначный результат. Вместе с тем отдельные процессы относительно хорошо изучены [8,9,10,11] (свободномолекулярное движение атомов; распыление материалов; перенос и осаждение распыленного материала; резонансная перезарядка и т.п.) и поддаются математической формализации. В последнее время были выполнены работы по моделированию поведения струи СПД в вакуумных камерах, которые провели группы исследователей: под руководством И. Бойда (I.D.Boyd) в Мичиганском университете (США), сотрудники фирмы Альта (Alta, Италия) и ряд др.[13,14]. В данных расчетах, в отдельных случаях, удалось добиться качественного соответствия результатов моделирования и экспериментальных данных. Однако модели, использованные в* этих работах, являются двухмерными и не позволяют оценивать влияние на распространение струи СПД реальной геометрии стенок камеры и расположения откачных средств.

В связи с этим тема данной работы, посвященной моделированию распространения струи СПД в объеме вакуумной камеры в трехмерном приближении, является актуальной.

В качестве цели работы была выбрана разработка методики моделирования процесса распространения струи СПД в объеме вакуумной камеры в трехмерном приближении, с учетом взаимодействия ионов с остаточным газом и стенками вакуумной камеры.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Разработка трехмерной математической модели распространения струи стационарного плазменного двигателя в вакуумной камере.

2. Разработка поверхностного математического анализатора (ПМА), для проведения сравнения величины расчетного параметра (давление, плотности тока) с измеряемым в эксперименте значением, а также расчет интегральных характеристик СПД (тяга, суммарный ионный ток) и энергоспектра ионов в заданной точке струи.

3. Создание математической модели для расчета распределения осаждения распыленных частиц материала стенок вакуумной камеры на поверхностях двигателя и вакуумной камеры.

4. Верификация моделей с использованием экспериментальных данных и результатов численных исследований других авторов.

Научная новизна работы состоит в том, что разработана и реализована в виде вычислительного комплекса трёхмерная инженерная модель распространения струи стационарного ^ плазменного двигателя в вакуумной камере. Предложен виртуальный датчик — поверхностный математический анализатор (ПМА), позволяющий проводить расчеты интегральных характеристик СПД (тяга, суммарный ионный ток), а также локальных значений параметров в струе двигателя (давление, плотность ионного тока, распределение частиц по скоростям).

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- разработана методика моделирования процесса распространения струи СПД, позволяющая изучать влияние на динамику атомов и ионов таких факторов, как геометрия стенок и распределение нейтрального газа в объеме вакуумной камеры, а также определять характеристики потоков ионов и нейтральных атомов внутри вакуумной камеры в процессе работы двигателя;

- проведено моделирование для конкретных геометрий вакуумных камер динамического распределения нейтральных частиц до и после включения двигателя;

- разработана методика численного определения локальных характеристик в заданных точках струи СПД;

- разработана методика построения распределения перезарядившихся частиц в объеме вакуумной камеры;

- разработана методика моделирования процессов распыления стенок вакуумной камеры и перепыления распыленного материала; - разработана методика расчета интегральных параметров двигателя (тяга, суммарный ионный ток).

Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием между расчетным и экспериментальными данными, а также сравнением полученных автором результатов с данными других авторов.

На защиту выносятся:

1. Стационарная трехмерная инженерная модель распространения струи стационарного плазменного двигателя в объеме вакуумной камеры произвольной геометрии.

2. Программный комплекс, позволяющий рассчитывать характеристики потоков ионов и атомов в объеме вакуумной камеры и отдельные интегральные параметры двигателя.

3. Результаты моделирования динамики атомов и ионов в вакуумных камерах различной конфигурации.

4. Трехмерная инженерная модель оценки процессов распыления и перепыления материала стенок вакуумной камеры.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Торопов, Григорий Петрович

Выводы

1. Разработана трехмерная математическая модель и программные продукты для численного моделирования процессов: распределения нейтрального газа в объеме вакуумной камеры при работе СПД, движения первичных ионов, их взаимодействия с остаточной атмосферой и распространения перезарядившихся частиц с учетом влияния электрического поля.

2. Проведено сравнение результатов расчета с данными измерений отдельных параметров в вакуумных, камерах различной формы и размеров. Получена сходимость результатов моделирования с экспериментальными данными на уровне 10. .30%.

3. Разработан алгоритм для расчета интегральных характеристик СПД (тяга, суммарный ионный ток), а также параметров в локальных областях струи и камеры. Достигнуто расхождение результатов расчета с экспериментальными данными менее 10%.

4. Разработана трехмерная математическая модель процессов распыления и перепыления материалов конструкций вакуумной камеры под действием ионной струи СПД, в которой впервые был применен алгоритм построения пространственного распределения распыленных частиц с помощью сплайн аппроксимации по заданным измерениям в двух плоскостях. С использованием данной модели выработаны рекомендации по уменьшению потока продуктов распыления для камеры конкретной геометрии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Торопов, Григорий Петрович, 2011 год

1. Biagioni L., Kim V., Nicolini D. et.al. Basic issues in electric propulsion testing and the need for international standards. IEPC-2003-230 // Proc. of 28th International Electric Propulsion Conference, 17-21 March 2003, Toulouse, France.

2. Korsun A.G., Tverdokhlebova E.M., Gabdullin F.F. The distinction between the EP plume expansion in space and in vacuum chamber. IEPC-2005-073 // Proc. of 29th International Electric Propulsion Conference, 31 Oct. 4 Nov. 2005, Princeton University, USA.

3. Nakles M.R., Hargus Jr.W. A background pressure effects on internal and near-field ion velocity distribution of the BHT-200-X3 Hall thruster // Proc. of 55th JANNAF Propulsion Meeting, 8- 12 Dec. 2008, Orlando, Florida, USA.

4. Hofer R.R., Peterson P.Y., Gallimore A.D. Characterizing vacuum facility backpressure effects on the performance of a Hall thruster. IEPG-01-45 // Proc. of 27th International Electric Propulsion Conference, 15-19 Oct. 2001, Pasadena, .CA, USA.

5. Hofer R. R., Walker M. L.R., Gallimore A. D. A comparison of nude and colliitmated faraday probes for use with Hall thrusters. IEPC-01-20 // Proc. of 27ш International Electric Propulsion Conference, 15-19 Oct. 2001, Pasadena, CA, USA.

6. Горшков. О.А., Муравлёв B.A., Шагайда А.А. Холловские и. ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / под ред. академика РАН А.С. Коротеева. — М.: Машиностроение, 2008.

7. Проблемы прикладной физики. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Физическое распыление одноэлементных твердых тел / под ред. Р. Бе-риша; пер. с англ. под ред. В.А. Молчанова. М., 1984.

8. Кошмаров, Ю.А., Рыжов Ю.А. Прикладная динамика разреженного газа -М.: Машиностроение, 1977.

9. Шагайда, А. А. Метод численного моделирования течений разреженного газа и его применение для расчета электрофизических устройств : автореферат дис. кандидата физико-математических наук : 01.02.05/Моск. физ.-техн. ин-т (гос. ун-т), 2000.

10. Bugrova A. I., Morozov A. I. Influence of vacuum conditions on the SPT operation. IEPC-95-46 // Proc. of 24th International Electric Propulsion Conference, 19-23 Sept. 1995, Moscow, Russia.

11. Приданников С.Ю. Исследование характеристик стационарных плазменных двигателей при длительной работе: дис. канд. тех. наук: 05.07.05 / При-данников Сергей Юрьевич. Калининград (обл.), 2003. - 156с.

12. Boyd I. D., Sun Q., Cai Ch., Tatum К. E. Particle simulation of Hall thruster plumes in the 12V vacuum chamber. IEPC-2005-62 // Proc. of 29th International Electric Propulsion Conference, Oct. 31 — Nov. 4 2005, Princeton University, USA.

13. King L.B. Transport-property and mass spectral measurements in the plasma exhaust plume of a hall-effect space propulsion system: Ph.D. thesis (Aerospace Engineering), Michigan University, 1998.

14. Boerner J.J., Boyd I. D. Numerical simulation of Faraday probe measurementsiKin a multi-component non-equilibrium plasma. IEPC-2005-085 // Proc. of 29 International Electric Propulsion Conference, 31 Oct. — 4 Nov. 2005, Princeton University, USA.

15. Miller J. S., Pullins S. H., Levandier D. J., et.al. Xenon charge exchange cross sections for electrostatic thruster models // Journal of Applied Physics. — 2002. Vol 91, No. 3.-pp. 984-991.

16. Gulczinski F.S., Gallimore A.D., Williams, G.J., et.al. Laser induced fluorescence measurements of ion velocities in the plume of a Hall effect thruster AIAA99.2424// Proc. of 35th Joint Propulsion Conference, 20-23 June, 1999, Los Angeles, CA, USA.

17. Асхабов C.H., Бургасов М.П., Фишгойт B.B., и др. Исследование струи стационарного плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов // Физика плазмы. 1981. - том 7, вып. 31. — с. 225-230.

18. Manzella D.H., Sankovic J.M. Hall thruster ion beam characterization. AIAA-95-2927 // Proc. of 31st Joint Propulsion Conference, 10-12 July 1995, San Diego, CA, USA.

19. Арцимович JLA., Морозов А.И., Снарский P.K., и др. Разработка стационарного плазменного двигателя (СПД) и его испытания на ИСЗ «Метеор» // Космические исследования. 1974. — том 12, № 3. — с. 451-468.

20. KimV., Kozlov V., Popov G., Skrylnikov A. Plasma parameter distribution determination in SPT-70 plume. IEPC-2003-107 // Proc. of 28th International Electric Propulsion Conference, 17-21March, 2003, Toulouse, France.

21. Randolph Т., Kim V., Kaufman H., K. et.al. Facility effects in stationary plasma thruster testing. IEPC-93-093 // Proc. of 23rd International Electric Propulsion Conference, 19-23 Sept., 1993, Seattle, USA.

22. Kozubsky K., Randolph Т., Kim V., et.al. Effect of background nitrogen and oxygen on insulator erosion in the SPT-100. IEPC-93-092 // Proc. of 23rd International Electric Propulsion Conference, 19-23 Sept., 1993, Seattle, USA.

23. Pagnon D., Touzeau M., Lasgorceix P. Control of the ceramic erosion by optical emission spectroscopy: parametric studies of the SPT100-MML. AIAA 2004-3773 // Proc. of 40th Joint Propulsion Conference, 11-14 July, 2004. Fort Lauderdale, Fl., USA.

24. Mazouffre S., Pagnon D., Bonnet J. Two ways to evaluate the Xe+ ion flow velocity in a Hall effect thruster-LIF spectroscopy and Fabry-Pdrot interferometry.

25. AIAA 2004-3949 // Proc. of 40th Joint Propulsion Conference, 11-14 July, 2004. Fort Lauderdale, Fl., USA.

26. Hargus Jr. W., Nakles M. R. A low power Hall effect thruster discharge plasma oscillation characteristics // Proc. of 55th JANNAF Propulsion Meeting, 8-12 Dec., 2008. Orlando, Fl., USA.

27. Gray H.L., Kamath U.P. INTELSAT 10 plasma propulsion, system initial flight operations. AIAA 2005-3672 // Proc. of 41st Joint Propulsion Conference, 10-13 July, 2005. Tucson, AZ, USA.

28. Gray H., Provost S., Glogowski M., Dermaire A. INMARSAT 4F1 plasma propulsion system initial flight operations. IEPC-2005-082// Proc. of 29th International Electric Propulsion Conference, 31' Oct. 4 Nov. 2005; Princeton University, USA.

29. Demiare A. Gray H. L. Plasma propulsion system functional chain first three years in orbit on Eurostar 3000. IEPC-2007-060 // Proc. of 30th International Electric Propulsion Conference, 17-20 Sept. 2007, Florence, Italy.

30. Lichtin D. A. An Overview of Electric Propulsion activities in US industry-2005. AIAA 2005-3532// Proc. of 41st Joint Propulsion Conference, 10-13 July, 2005. -Tucson, AZ, USA.

31. Semenkin A., Kim V., Gorshkov O., Jankovsky R. Development of electric propulsion standards current status and further activity. IEPC-01-070 // Proc. of 27th International Electric Propulsion Conference, 15-19 Oct. 2001 Pasadena, CA, USA.

32. WalkerM. L.R., Gallimore A.D., Cai C., Boyd I.D. Pressure map of a facility as a function of flow rate to study facility effects. AIAA 2002-3815// Proc.of 38th Joint Propulsion Conference, 7-10 July, 2002. Indianapolis, IN, USA.

33. Andrenucci M., Biagioni L., Passaro A. PIC/DSMC models for Hall effect thus-ter plumes: present status and ways forward. AIAA 2002-4254 // Proc.of 38th Joint Propulsion Conference, 7-10 July, 2002. Indianapolis, IN, USA.

34. Физико-химические процессы в газовой динамике / под ред. Г.Г. Черного, С.А. Лосева. М.: Научный мир, 2007.

35. Горелова Г.В., Кацко И.А. Теория вероятностей и математическая статистика в примерах и задачах с применением EXCEL. Ростов-на-Дону: Феникс, 2002.

36. Ивановский Г.Ф., Петров В. И. Ионно-плазменная обработка материалов М:Радио и связь. 1986.

37. Семенов А.А., Шкарбан И.И. Распыление потоками ионов поверхностей элементов конструкций ионно-плазменных источников // Ракетно-космическая техника, вып. 3 (131), М.: НИИТП, 1991. с. 42-53.

38. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. — М.: Наукал 1981.

39. Морозов А.И., Есипчук Ю.В., Тилинин Г.Н., и др. Экспериментальное исследование ускорителя с замкнутым дрейфом; электронов // ЖТФ. 1972. -том 42, № 1. — с. 54-63.

40. Boyd I.D., Yim J. Т. Hall thruster plume simulation using a detailed hybrid model. AIAA 2004-3952 // Proc. of 40th Joint Propulsion Conference, 11-14 July, 2004. Fort Lauderdale, Fl., USA.

41. Kim V., Bishaev A., Lazourenko A., Auweter-Kurtz M. 3-Dimensional simula1.tion of plasma dynamics in SPT. IEPC-01-340 // Proc. of 27ш International Electric Propulsion Conference, 15-19 Oct. 2001, Pasadena, CA, USA.

42. Bishaev A.M., Kalashnikov V.K., Kim V., Shavykina A.V. Numerical modeling of the propagation of a plasma jet produced by a stationary plasma thruster in a low-pressure gas // Plasma, Physics Report. 1998. - v.24, No 11. - pp. 989-995.

43. Bishaev A.M., Kim V., Lazourenko A.V. Simulation of plasma dynamics in SPT // Proc. of 3rd International Conference on Spacecraft Propulsion, 10-13 Oct. 2000, Cannes, France / ESA SP-465, December 2000. pp. 385-391.

44. Bird, G. A. Molecular gas dynamics and the direct simulation of gas flows. Clarendon Press, 1994.

45. Abrahamson A. Born-Mayer-Type Interatomic potential for neutral ground state atoms with Z=2 to Z=105 // Physical Review. Feb. 1968.

46. Розанов JI.H. Вакуумная техника M.: Высшая школа. - 1990.1. Напряжение на зонде,В

47. Рисунок Б.5. Вольтамперная характеристика зонда для угла 30 градусов

48. Рисунок Б.6. Вольтамперная характеристика зонда для угла 40 градусов

49. Обработка волътамперной характеристики Использовалась следующая формула для получения из вольтамперной характеристики распределения по энергиям 54.:йЕ1. Ш1+11. Ш;1. М+1 1. Б.1)

50. На графиках (рис. Б.7.Б.12) представлены результаты обработки для соответствующих углов двигателя №2.

51. Рисунок Б. 11. Распределение плотности вероятности ионов по энергиям в струе на угле 30 градусов от оси двигателя

52. Рисунок Б. 12. Распределение плотности вероятности ионов по энергиям в струе на угле 40 градусов от оси двигателя

53. Рисунок Б. 13. Распределение плотности вероятности ионов по энергиям в струе от оси двигателя ( а 0 градусов; б - 7,5; в — 15; г - 22,5)

54. Г. 4. Стенд исследовательского центра Centrospazio35.

55. Рисунок Г.6. Трехмерная модель вакуумной камеры

56. Г. 5. Вакуумная камера 12V в Arnold Engineering Development Center. 3D модель, построенная по приведенным в статье 13. размерам камеры

57. Рисунок Г.7.Трехмерная модель камеры

58. Рисунок Г. 8. Криогенные панели верхнего и нижнего насосовв данной камере.1. Г.6. СтендУ2В в МАИ

59. В работе 23. был проведен эксперимент с оценкой обратного потока перезаряженных атомов остаточного газа, а также измерение параметров струи в шестиметровой вакуумной камере.

60. Рисунок Г.9. Чертеж камеры 23.