Математическое моделирование распространения струи стационарного плазменного двигателя в объеме вакуумной камеры
Комплексные экспериментальные исследования указанных явлений при испытаниях СПД достаточно трудоемки и не всегда дают однозначный результат. Вместе с тем отдельные процессы относительно хорошо изучены (свободномолекулярное движение атомовраспыление материаловперенос и осаждение распыленного материаларезонансная перезарядка и т. п.) и поддаются математической формализации. В последнее время были… Читать ещё >
Содержание
- 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
Математическое моделирование распространения струи стационарного плазменного двигателя в объеме вакуумной камеры (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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 перезарядившиесяионы. 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 атомовраспыление материаловперенос и осаждение распыленного материаларезонансная 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.
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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Кошмаров, Ю.А., Рыжов Ю. А. Прикладная динамика разреженного газа -М.: Машиностроение, 1977.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- AIAA 2004−3949 // Proc. of 40th Joint Propulsion Conference, 11−14 July, 2004. Fort Lauderdale, Fl., USA.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Физико-химические процессы в газовой динамике / под ред. Г. Г. Черного, С. А. Лосева. М.: Научный мир, 2007.
- Горелова Г. В., Кацко И. А. Теория вероятностей и математическая статистика в примерах и задачах с применением EXCEL. Ростов-на-Дону: Феникс, 2002.
- Ивановский Г. Ф., Петров В. И. Ионно-плазменная обработка материалов М:Радио и связь. 1986.
- 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.
- Бронштейн И.Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. — М.: Наукал 1981.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Bird, G. A. Molecular gas dynamics and the direct simulation of gas flows. Clarendon Press, 1994.
- Abrahamson A. Born-Mayer-Type Interatomic potential for neutral ground state atoms with Z=2 to Z=105 // Physical Review. Feb. 1968.
- Розанов JI.H. Вакуумная техника M.: Высшая школа. — 1990.1. Напряжение на зонде, В
- Рисунок Б.5. Вольтамперная характеристика зонда для угла 30 градусов
- Рисунок Б.6. Вольтамперная характеристика зонда для угла 40 градусов
- 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)
- На графиках (рис. Б.7.Б.12) представлены результаты обработки для соответствующих углов двигателя № 2.
- Рисунок Б. 11. Распределение плотности вероятности ионов по энергиям в струе на угле 30 градусов от оси двигателя
- Рисунок Б. 12. Распределение плотности вероятности ионов по энергиям в струе на угле 40 градусов от оси двигателя
- 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)
- Г. 4. Стенд исследовательского центра Centrospazio35.
- Рисунок Г. 6. Трехмерная модель вакуумной камеры
- Г. 5. Вакуумная камера 12V в Arnold Engineering Development Center. 3D модель, построенная по приведенным в статье 13. размерам камеры
- Рисунок Г. 7.Трехмерная модель камеры
- Рисунок Г. 8. Криогенные панели верхнего и нижнего насосовв данной камере.1. Г. 6. СтендУ2 В в МАИ
- В работе 23. был проведен эксперимент с оценкой обратного потока перезаряженных атомов остаточного газа, а также измерение параметров струи в шестиметровой вакуумной камере.
- Рисунок Г. 9. Чертеж камеры 23.