Ионный ракетный двигатель: Ионные ракетные двигатели: прошлое, настоящее и будущее |

Содержание

Реактивная тяга или как устроен ионный реактивный двигатель / Хабр

Не секрет, что все реактивные двигатели работают за счёт закона сохранения импульса. Именно из него вытекает, что реактивная тяга — это произведение массового расхода на скорость выхода рабочего тела из сопла.

Эту скорость принято называть удельным импульсом реактивного двигателя. Давайте для примера найдём реактивную тягу при стрельбе из автомата Калашникова, которая является основной составляющей отдачи. Пусть масса пули будет 0,016 кг, начальная скорость пули 700 м/с, а скорострельность 10 выстр./с. Тогда отдача F=700∙0,016∙10=112 Н (или 11 кгс). Большая отдача, но тут приведена техническая скорострельность 600 выстр./мин. В реальности стрельба ведётся очередями или одиночными и составляет ≈50 выстр./мин.

Выстрел из АК

Вернёмся к реальным реактивным двигателям, в которых вместо пуль обычно используются потоки выходящего с гиперзвуковой скоростью газа. Химические реактивные двигатели являются самыми распространёнными, но не единственными.

В этой статье, с большим предисловием, я хочу рассказать об ионных реактивных двигателях (далее ИРД). ИРД используют в качестве рабочего тела заряженные частицы — ионы. Ионы имеют массу, и если их разогнать электрическим полем, то можно создать реактивную тягу. Это всё в теории, а теперь подробнее. ИРД имеет некоторый запас газа, который ионизируют (т.е. нейтрально-заряженные атомы газа разбивают на отрицательные электроны и положительные ионы) с помощью газового разряда. Далее ионы разгоняются электрическим полем с помощью специальной системы сеток, и эта же система сеток блокирует движение электронов. После того, как положительные ионы вылетели из сопла, их нейтрализуют отрицательными электронами (в результате этого происходит рекомбинация и газ начинает светиться), чтобы ионы не притягивались обратно к двигателю, и тем самым не снижали его тяги.

Почему ксенон?

Обычно в ИРД в качестве рабочего тела используется газ ксенон, так как он имеет наименьшую энергию ионизации среди инертных газов.

Удельный импульс ионных реактивных двигателей достигает 50 км/с, что в 150 раз превышает скорость звука! Увы, но тяга таких двигателей составляет около 0,2 Н. Почему же так? Ведь удельный импульс очень большой. Дело в том, что масса ионов очень маленькая и массовый расход получается небольшим. Для чего тогда такие двигатели нужны, если они ничего не смогут сдвинуть с места? На Земле может быть не смогут, а вот в космосе, где нет сил сопротивления, они достаточно эффективные. Существует такое понятие как полный импульс — произведение тяги на время или произведение удельного импульса на массу топлива, который у ИРД является достаточно большим.

Решим следующую задачу. Пусть жидкостный ракетный двигатель имеет удельный импульс 5 км/с, а у нашего ИРД он будет 50 км/с. И давайте масса рабочего тела (в ЖРД она равна массе топлива) у обоих двигателей будет 50 кг. Примем массу космического аппарата равной 100 кг.

Найдём по формуле Циолковского конечную скорость аппарата (т. е. когда в нём закончится рабочая масса).

И что получается, если ионный и химический реактивные двигатели будут иметь одинаковую массу топлива, то ИРД сможет разогнать космический аппарат до больших скоростей, нежели химический РД. Правда на ИРД космический аппарат будет разгонятся дольше до конечной скорости, чем на ЖРД. Но в путешествиях к далёким планетам, высокая конечная (разгонная) скорость будет компенсировать этот недостаток.

Схема полёта к Марсу на ИРД

ИРД используются и в наше время. Например, аппарат Deep Space 1 сблизился с астероидом Брайль и кометой Борелли, передал на Землю значительный объём ценных научных данных и изображений.

Deep Space 1

Также космическая антенна LISA, которая сейчас находится на стадии проектирования, будет использовать ИРД для корректировки орбиты.

Laser Interferometer Space Antenna

И напоследок, давайте определим тягу ИРД, зная массу иона М=6,5∙10^-26 кг, ускоряющие напряжение U=50 кВ, ток нейтрализации I=0,5 А, элементарный заряд е=1,6∙10^-16 Кл.

Напряжение — это работа по переносу заряда, т.е. на выходе из сопла ион будет иметь кинетическую энергию равную произведению напряжения на заряд иона. Из кинетической энергии выражаем скорость (удельный импульс). Найдём массовый расход из определения тока, электрический ток — это проходящий заряд во времени. Получается, что массовый расход — это произведение массы иона и тока, делённое на заряд иона. Перемножая удельный импульс и массовый расход, получаем тягу равную 0,1 Н.

Подводя итог, хочу сказать, что существуют плазменные реактивные двигатели, у которых схожее устройство, но которые имеют намного больший массовый расход рабочего тела. Кто знает, может быть уже завтра на таких двигателях человечество будет летать на Марс и Луну.

Ионный двигатель — что это такое? / астрономия :: длиннопост :: космический корабль :: космический двигатель :: космос :: ионный двигатель / смешные картинки и другие приколы: комиксы, гиф анимация, видео, лучший интеллектуальный юмор.

Ионный двигатель — что это такое?

Ионный двигатель — хорошо отработанная на практике и исторически первая разновидность электрического ракетного двигателя. Недостатком ионного двигателя является малая тяга (например, разгон космического аппарата с весом автомобиля от 0 до 100 км/ч требует больше двух суток непрерывной работы ионного двигателя), которую невозможно увеличить из-за ограничений объёмного заряда.

Однако малый расход топлива (точнее, рабочего тела) и продолжительное время функционирования ионного двигателя (максимальный срок непрерывной работы самых современных образцов ионных двигателей составляет более пяти лет) позволяет за длительный промежуток времени разогнать космический аппарат небольшого веса до приличных скоростей. Сфера применения: управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли (некоторые спутники оснащены десятками маломощных ионных двигателей) и использование в качестве главного тягового двигателя небольшой автоматической космической станции. Характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1-7 кВт, скорость истечения 20-50 км/с, тяга 20-250 мН, КПД 60-80 %. Рабочим телом является ионизированный газ (аргон, ксенон и т. п.).

Ионному двигателю в настоящее время принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе без использования жидкостного ракетного двигателя — Deep Space 1 смог увеличить скорость на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона (этот рекорд скорости в ближайшее время планируется превзойти на 10 км/с космическим аппаратом Dawn). Однако ионный двигатель не является самым перспективным типом электроракетного двигателя, поэтому данный рекорд скорости, скорее всего, будет превзойдён холловским или магнитоплазмодинамическим двигателем.

Существует проект межзвёздного зонда с ионным двигателем, получающим энергию через лазер от базовой станции, что дает некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом (в настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений.

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с по сравнению с 3—4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии.

В существующих реализациях для поддержки работы двигателя используются солнечные батареи. Но для работы в дальнем космосе такой способ неприемлем. Поэтому уже сейчас для этих целей иногда используются ядерные установки.

Источником ионов служит газ — как правило, аргон или водород. Бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подаётся в отсек ионизации; получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева высокоэнергетическая плазма подаётся в магнитное сопло, где она формируется в поток магнитным полем, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таким образом достигается тяга.

С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов — электротермические, электростатические, сильноточные или магнитодинамические и импульсные двигатели. В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель. В ионизатор подаётся ксенон, который сам по себе нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.

Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2-х или 3-х сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против — 225 вольт на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:

чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным;

чтобы ионы, «нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.
Чтобы ионный двигатель работал, нужны всего 2 вещи — газ и электричество.

Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50-100 миллиньютонов). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя, есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей. Однако разрабатываются более совершенные и мощные типы электроракетных двигателей (холловский и магнитоплазмодинамический), превосходящие ионный двигатель по величине тяги и, как следствие, конечной скорости космического аппарата.

Возможности ионного двигателя | Предания и легенды

»
Техника и технологии

Ионный двигатель относится к классу электрических ракетных двигателей и обладает высокой удельной тягой и экономичностью. Его применение для полета на планеты Солнечной системы позволит увеличить скорость космического корабля в десятки раз.

Человечество подошло к тому рубежу, когда имеющиеся в его распоряжении технологии космических двигателей себя исчерпали. Начиная с первых полетов в космос и до настоящего времени в космических аппаратах используются жидкостные ракетные двигатели. Несмотря на технический прогресс, их характеристики мало изменились, – по сути, они достигли своего предела. Поэтому ученые ищут возможности для реализации более совершенных типов ракетных двигателей. Одной из наиболее перспективных разработок сегодня считается ионный двигатель. В отличие от жидкостного двигателя, которому требуется гигантское количество топлива для достижения требуемой скорости, ионный двигатель очень экономичен. Пока его нельзя использовать для старта с Земли, так как он не обладает требуемой тягой, зато его удельная тяга очень велика. Такой двигатель позволит плавно разогнать космический корабль до сотен км/c, что для современных ЖРД невозможно в принципе. Для этого потребовалось такое количество топлива, что на полезную нагрузку не осталось бы места.

Ионный двигатель относится к электрореактивным ракетным двигателям. Принцип его работы следующий. Ионы проходят через электрическую решетку и вылетают через сопло двигателя, разгоняясь магнитным полем. В современных разработках, таких, как проект VASIMR для повышения эффективность ионного двигателя повышается за счет нагрева частиц до состояния плазмы. Для этого, в частности применяется радиочастотный генератор. Температура плазмы достигает миллионов градусов, что сопоставимо с температурой внутри Солнца. В результате достигается высокий КПД, что открывает широкие возможности для исследования как ближних, так и дальних планет Солнечной системы.

Чтобы дать наглядное представление о возможностях ионного двигателя, достаточно привести несколько цифр. Для полета на Марс с традиционным жидкостным двигателем космическому кораблю потребовалось бы от 2 до 4 лет полета в одну сторону, в то время как ионный двигатель позволит преодолеть это расстояние менее, чем за 40 дней. Это открывает возможность для пилотируемых экспедиций, поскольку время пребывания в пути становится приемлемым для экипажа. Важной проблемой, которую требуется решить при создании мощных ионных двигателей, является обеспечение силовой установки электроэнергией, которой для большого космического аппарата требуется немало. Солнечные батареи могут быть использованы лишь частично и лишь при условии близкого нахождения к Солнцу. Кардинально решить вопрос может решить ядерный реактор, который в данный момент разрабатывается Россией. Считается, что это будет ядерный ракетный двигатель. Но он может работать на разных принципах: как создавая тягу, непосредственно разгоняя рабочее вещество, так и в качестве энергоустановки. Подробности этого проекта не разглашаются, однако, в случае его успешного создания он сможет обеспечить энергией любую электрореактивную силовую установку, в частности ионный двигатель. Авторы российского проекта планируют завершить разработку к 2018 году.

Солнечно-электрический двигатель позволит непосредственно преобразовывать солнечную энергию в электричество, которое, в свою очередь, даст возможность ускорять ионы тяжелых элементов до огромных скоростей. Прототипы подобных двигателей уже используются в космосе. С помощью одного из них в настоящее время осуществляется перевод спутника связи Artemis на его штатную орбиту, которая вследствие неполадок с ракетой-носителем оказалась значительно более низкой, чем расчетная.

В ряде проектов ESA по исследованию космического пространства с помощью автоматических аппаратов предусматривается использование ионного двигателя в качестве основной двигательной установки.

В начале 2003 года с космодрома Куру во Французской Гвиане выведен на орбиту небольшой аппарат SMART-1, который с помощью ионного двигателя должен добраться до Луны. В ходе полета SMART-1 пройдут испытания новые методы маневрирования космическим аппаратом, которые позволят аппарату европейского космического агентства BepiColombo, с помощью ионного двигателя и маневра в гравитационном поле Луны добраться до Меркурия.

«С помощью химической двигательной установки можно либо пролететь мимо, либо вывести аппарат на очень вытянутую орбиту вокруг планеты. Достичь же орбиты Меркурия и исследовать его можно лишь с помощью электрической двигательной установки», — пояснил Джузеппе Ракка, руководитель проекта SMART-1.

Солнечно-электрический двигатель планируется использовать также в автоматической исследовательской станции Solar Orbiter, которому предстоит выйти из плоскости эклиптики и изучить строение Солнца в области высоких широт.

В связи с тем, что ионному двигателю не требуется большое количество рабочего вещества, удастся взять на борт значительно больше научной аппаратуры. Правда, в полной мере его преимущества могут быть использованы лишь при исследовании небесных тел во внутренней части Солнечной системы, где достаточное количество электроэнергии можно получать с помощью солнечных батарей. Для изучения более удаленных от Солнца областей космического пространства применение ионного двигателя станет возможным в сочетании с другим источником энергии — возможно, ядерным генератором.

Американское аэрокосмическое агентство NASA закончило длившиеся пять лет испытания ионных двигателей NEXT. Это стало окончанием самого длительного непрерывного теста космических двигательных установок в наземных условиях. Испытания показали, что новые двигатели не только достаточно надежны и способны проработать без поломок пять лет подряд, но и тратят в десять раз меньше топлива для ускорения космического аппарата. Подробности приводит официальный сайт агентства.

Экспериментальный двигатель был смонтирован в вакуумной камере. Далее его подключили к источнику электроэнергии и баку с ксеноном. В рабочую камеру устройства поступали атомы ксенона, туда же направлялся пучок электронов и затем электроны вызывали ионизацию атомов инертного газа. При столкновении ксеноновых атомов с электронами получалось уже два электрона и тяжелый положительный ион, который подхватывался электрическим полем. Электрическое поле создавало поток ионов ксенона, ускоренных до сорока километров в секунду и выбрасывало через сетчатый электрод наружу. Через отдельное сопло выбрасывались электроны: при включении за двигателем возникало голубое свечение созданной им плазмы.

Обратите внимание на сетку, которой закрыто сопло: это ускоряющий ионы ксенона электрод. Сверху можно заметить маленькое сопло, вокруг которого видно фиолетовое свечение: через него выходят электроны.

Тяга, как показали испытания, соответствовала расчетной и при этом небольшой в абсолютном выражении. NEXT развивал тягу всего в 236 миллиньютонов, то есть на Земле такой силы хватило бы только на то, чтоб удержать в воздухе массу около 24 грамм. Однако при этом за все время работы двигатель мог бы придать тому аппарату, на котором установлен, такой импульс, который возможно получить лишь при помощи ракетного двигателя, сжигающего более десяти тонн топлива. Ксенона, для сравнения, ушло лишь 800 килограмм, а электрическая мощность опытной установки в семь киловатт допускает питание от солнечных батарей с площадью в несколько десятков квадратных метров: что вполне реально для автоматических межпланетных станций, АМС.

Экономичность ионных двигателей как таковых является главным их преимуществом, поэтому сам факт малого расхода рабочего вещества NEXT не стал неожиданностью. Основным результатом испытаний, как утверждают разработчики NEXT, стало подтверждение того, что двигатель существенно превосходит предыдущие образцы. Он намного совершеннее двигателей NSTAR, которые были установлены на АМС Deep Space: как по абсолютной величине тяги, так и по эффективности.

В настоящее время инженеры NASA рассматривают NEXT как возможный двигатель для установки на АМС к Титану или Энцеладу, спутникам газовых планет-гигантов. Расчеты показывают, что применение ионного ускорителя может сэкономить в таких перелетах до нескольких тонн топлива и за счет этого увеличить массу научных приборов.

Ионные двигатели: от фантастики к реальным пускам

Минувшая неделя ознаменовалась успешным стартом первой в мире исследовательской станции, оснащенной ионным двигателем в качестве основного. SMART 1 – первая европейская экспедиция для исследования Луны. В то же время, это уникальная исследовательская станция нового типа, первая в новой программе ESA под названием Small Missions for Advanced Research in Technology, в ходе которой запланирована апробация целого ряда новых технологий.

Спутник создан по заказу ESA Шведской космической корпорацией при участии почти 30 субподрядчиков из 11 европейских стран и США. Общая стоимость проекта составила 110 млн. евро.

SMART 1 — первая автоматическая станция ESA для исследования Луны. В то же время, это уникальная исследовательская станция нового типа, первая в новой программе ESA под названием Small Missions for Advanced Research in Technology. В ходе выполнения программы запланирована апробация целого ряда новых технологий, например, связь в Ка-диапазоне и лазерная связь, автономная навигация и многое другое.

Solar Orbiter

При достаточно большом количестве аппаратуры, SMART 1 отличается малым весом и компактностью. Со сложенными солнечными батареями он представляет собой прямоугольник размером в метр. Стоимость SMART 1 примерно раз в пять меньше, чем типичной межпланетной станции ESA. Но самая главная особенность нового космического аппарата в том, что впервые в истории космонавтики ионный двигатель будет использован в качестве основного. В ближайших планах ESA — запуск еще двух аппаратов, оснащенных ионной двигательной установкой. Это BepiColombo для исследования Меркурия и Solar Orbiter — для изучения Солнца.

BepiColombo

Установленный на SMART 1 ионный двигатель потребляет 1350 Ватт электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями, и развивает тягу в 0,07 Ньютон, что примерно соответствует весу почтовой открытки. Рабочим веществом служит ксенон . При этом для выхода на эллиптическую полярную орбиту вокруг Луны станции потребуется 16 месяцев. Выведение SMART 1 на расчетную орбиту представляет собой сложный многоступенчатый процесс, состоящий из нескольких этапов.

За последние годы в связи с созданием мощных ускорителей заряженных частиц и плазменных преобразователей тепла непосредственно в электричество начались разработки так называемых ионных реактивных двигателей для ракет.

Главным соблазном здесь является возможность сначала превратить в низкотемпературную плазму, т. е. ионизировать, газообразное топливо, а затем ускорить полученные ионы до скоростей, сопоставимых со скоростью света, а тем самым увеличить тягу двигателей во столько раз по сравнению с обычными видами топлива, во сколько раз скорость истечения ионов превышает скорость истечения газообразных продуктов сжигания химического топлива, если брать их одинаковые количества. Отсюда повышенные грузоподъемность, скорость и дальность полета ракет, больший за-пас поднимаемого ими топлива и другие столь же решающие преимущества.

Естественно, что при применении ионных двигателей ничего не дается даром. Для того чтобы иметь возможность ионизировать огромное количество атомов газообразного топлива, а затем разогнать полученную массу заряженных частиц до скоростей порядка десятков и сотен тысяч километров в секунду, необходимо устанавливать на ракете мощные источники энергии, вес и объем которых «съедят» значительную долю преимуществ, приобретенных за счет огромного выигрыша в скорости истечения реактивной струи. Однако подсчеты, проведенные учеными, показали, что игра, безусловно, стоит свеч. В результате длительных исследований плазменные двигатели, созданные советскими учеными, впервые были применены на автоматической межпланетной станции «Зонд-2» в 1964 г.

Устройство ионного двигателя исключительно просто. Основная его часть — электрический генератор, создающий сильное электрическое поле высокого напряжения. Источником положительно заряженных ионов могут быть газообразные вещества, например водород и гелий, легкий металл цезий или другие вещества, ионизирующиеся, т. е. теряющие свои электроны уже при сравнительно невысоких температурах — порядка двух — пяти тысяч градусов. Попадая в электрическое поле мощного ускорителя, ионы разгоняются до космических скоростей и выбрасываются из хвостовой части двигателя, создавая таким образом тягу.

X-37B испытает новый ионный двигатель на эффекте Холла

Беспилотный космический самолет X-37B, который является одной из секретных технологий ВВС США, готовится к очередному запуску в рамках миссии Orbital Test Vehicle 4. Как обычно запуск будет производиться с космодрома на мысе Канаверал и когда этот небольшой космический корабль выйдет на околоземную орбиту он произведет «боевые» испытания нового ионного двигателя на основе эффекта Холла.

Космический корабль X-37B, который напоминает Шаттл в миниатюре, является одним из двух идентичных аппаратов, построенных компанией Boeing Phantom Works. В настоящее время эти два космических корабля совершили три длительных космических полета, пробыв на околоземной орбите 1367 суток в общей сложности. Задачи, которые решали эти аппараты в космосе, покрыты тайной, а руководства американских ВВС отделывается лишь отговорками об испытаниях технологий космических аппаратов многократного использования.

Ионные двигатели Холла, которые помогут кораблю X-37B выполнить его миссию, являются ионными двигателями, весьма похожими на ионные двигатели, которые позволили исследовательскому космическому аппарату Dawn побывать возле астероида Веста, добраться до карликовой планеты Церера, установив по пути рекорд скорости перемещения в космическом пространстве. Ионные двигатели используют электроны для ионизации атомов инертного газа, ксенона, которые затем ускоряются при помощи электрических полей и вырабатывают реактивную тягу. Хотя вырабатываемая ионным двигателем сила тяги эквивалентна весу листа бумаги, двигатель чрезвычайно эффективнее и может непрерывно работать в течение многих лет, разгоняя космический аппарат до очень высоких скоростей.

Экспериментальный ионный двигатель Холла был разработан совместными усилиями специалистов Научно-исследовательской лаборатории ВВС США, центра Space and Missile Systems Center и управления Rapid Capabilities Office. Он, в сущности, является модернизированным вариантом двигателей, используемых на первых трех спутниках системы военной космической связи Advanced Extremely High Frequency.

Когда, находясь на околоземной орбите, космический корабль X-37B включит ионный двигатель, начнется передача на Землю потока телеметрических данных, которые будут содержать информацию о функционировании и режимах работы двигателя, о силе вырабатываемой им тяги и о многом другом. Собранные в ходе экспериментального запуска данные будут использоваться для улучшения конструкции очередных ионных двигателей, которые уже будут предназначаться для фактической работы на орбите.

Источники: www.objectiv-x.ru, www.nkau.gov.ua, gizmod.ru, www.cnews.ru, www.scientificlife. ru, texnomaniya.ru

Аполлон-15

«Аполлон-15» (англ. Apollo 15) — девятый пилотируемый космический корабль в рамках программы «Аполлон», четвёртая высадка людей на Луну. Командир экипажа Дэвид …

Перун — бог грома и молний

Бог грома, бог молнии и бог погоды является часто высшим небесным богом, как, например, Зевс. Кронид или Кронион в Древней …

Мировые войны

Человечество испокон веков сотрясали войны. Но в древности они не носили такого масштабного характера, как в XX веке. Сколько мировых …

Архимед — биография

Уроженец и гражданин Сиракуз. Образование получил в Александрии, величайшем культурном центре античного мира. Архимеду принадлежит ряд важных математических открытий. Высшими достижениями учёного …

Перестройка в СССР

Перестройка — общее название нового курса советского партийного руководства, совокупности политических и экономических перемен, происходивших в СССР с 1985 . ..

Картина на основании фотографии — универсальный подарок

Изобретая оригинальный креативный подарок для дорогого нам человека, мы обыкновенно волнуемся и нервничаем. При этом кто-то начинает волноваться, грубо …

Древняя Македония

— рабовладельческое государство в центральной и северо-восточной части Балканского полуострова. Существовала с 5 в. дон.э. до 148 дон.э. …

Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель

Изобретение предназначено для использования в аэрокосмической технике в качестве маршевых и стационарных двигателей как источник электроэнергии для аэрокосмических аппаратов. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель содержит диффузор, рабочую камеру, конфузор и устройство подачи рабочей среды в камеру. Двигатель снабжен плазменным генератором, размещенным вокруг рабочей камеры, устройством, генерирующим переменное магнитное поле, и ядерным импульсным подкритическим реактором. Последний соединен с накопителем нейтронов и нейтронным каскадным умножителем, сообщен с кольцевым генератором электрического тока в виде полого кольца и представляет собой энергетический модуль. Реактор также соединен с ионизаторами рабочей среды, связан ними с бортовым и внешним источниками этой среды. Источники рабочей среды соединены с помощью каналов ввода рабочей среды с полостью рабочей камеры — ускорителем заряженных частиц. Изобретение позволяет повысить удельную энерговооруженность и КПД тяги. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Известные плазменно-ионные двигатели имеют камеры для ионизации рабочей среды и ускорители заряженных частиц (патент Российской Федерации RU 2246035 ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КОШКИНА, патент РФ №2162624, патент РФ №2162958).

Двигатели такого типа имеют существенные недостатки: большие затраты электроэнергии на ионизацию рабочего тела и получение плазмы снижают общий КПД и увеличивают потребление электроэнергии. Раздельное проектирование двигателей и источников электроэнергии не позволяет в полной мере решать все базовые проблемы плазменно-ионных двигателей, такие как удельная мощность на единицу массы двигателя, которая определяет максимальную скорость и истекание рабочей среды, соответственно, КПД и максимальную полезную нагрузку, а также время перелетов космических аппаратов с низкой орбиты на геостационарную орбиту.

Технической задачей и положительным результатом изобретения является создание плазменно-ионного комбинированного воздушно-реактивного двигателя на кольцевых генераторах, обладающего высокой удельной энерговооруженностью и КПД тяги.

Этот двигатель, за счет конструкции плазменно-ионного комбинированного воздушно-реактивного двигателя содержащий диффузор, рабочую камеру, конфузор, устройство подачи рабочей среды в камеру, снабжен плазменным генератором, устройством, генерирующим переменное магнитное поле, размещенным вокруг рабочей камеры, ядерным импульсным подкритическим реактором, соединенным с накопителем нейтронов и нейтронным каскадным умножителем и сообщенным с кольцевым генератором электрического тока, выполненным в виде полого кольца, представляющим энергетический модуль, реактор также соединен с ионизаторами рабочей среды, связан ими с бортовым и внешним источниками этой среды, соединенными с помощью каналов ввода рабочей среды с полостью рабочей камеры — ускорителем заряженных частиц. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель снабжен несколькими модулями, включающими кольцевой генератор электрического тока, ядерный импульсный подкритический реактор, накопителями нейтронов и нейтронными каскадными умножителями. Рабочая камера, ее конфузор и диффузор имеют возможность реверсивной работы за счет оснащения рабочей камеры с двух ее сторон каналами ввода рабочей ионизированной среды, оснащенными управляемыми клапанами.

В электрореактивных двигателях, как и в двигателях на химическом топливе, сила тяги F связана с параметрами потока рабочего тела в следующем соотношении: F=mu, где m — удельный расход рабочего тела и u — средняя скорость его истечения. Реактивная мощность, выделяющаяся в виде кинетической энергии струи рабочего тела, записывается как Р_стр=mu². Тяговый КПД двигательной установки, в которой используются электрические двигатели, равен мощности струи Р_стр к электрической мощности, подводимой от источника питания: η_{д. у}=Р_стр/Р_вх. Уравнение можно записать следующим образом: η_д.у=F²/2_mР_вх. Удельный импульс реактивного двигателя I_уд=u/g₀ где g₀ — ускорение силы тяжести (9,8 м/с²). Уравнение можно переписать в виде η_д.у=F g₀ I_уд/2Р_вх или F/Р_вх=2η_д.у/g₀I_уд. Соотношение является основным уравнением для электроракетных двигательных установок, связывающим между собой тягу и подводимую электрическую мощность. Тяговый КПД двигательной установки η_д.у, учитывающий все виды потерь энергии при получении тяги, можно в свою очередь представить в виде произведения нескольких КПД, характеризирующих отдельные виды потерь в установке. η_д.у=η_пр·η_дв где η_пр — КПД энергопреобразователя, а η_дв — КПД движителя («Знание — сила» №5 1959 год 5; Космические двигатели: состояние и перспективы. М.: МИР 1988).

На фиг.1 показана конструктивная схема двигателя; на фиг.2 — общий вид этого двигателя. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель содержит: каскадные нейтронные умножители 1, накопитель нейтронов 2, импульсный подкритический ядерный реактор 3, кольцевой генератор 4, узел наложения магнитного поля 5, ионизирующую камеру 6, узел подачи рабочей среды 7 для образования плазмы 8, кольцевой канал 9 подачи рабочей среды, ускоритель заряженных частиц 10, разгоняемые ионизированные частицы плазмы 11, в рабочем канале образовавшуюся высокоскоростную струю 12, где набегающий в канал 11 поток воздуха 13 смешивается с высокоионизированными частицами плазмы в объеме струи (фиг.1), диффузор 14(15) и конфузор 15(14) для работы двигателя в реверсивных направлениях. Двигатель содержит несколько энергоблоков 16 для набора мощности. Управляемые клапаны 17 служат для изменения подачи рабочей среды в тот-9 или иной-9 канал, а также имеет переключатель 18 подачи рабочей среды и переключатель 19 ускорителя 10 для реверсивной роботы двигателя и изменения направления тяги.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом: нейтронные каскадные умножители 1 подают пучки тепловых нейтронов в накопители нейтронов 2, откуда через равные промежутки времени выпускаются дискретные высокоплотные пучки нейтронов (10¹⁸-10¹⁹ нейтрон в сек), которые подаются в импульсный подкритический ядерный реактор 3. В результате интенсивных ядерных реакций высвобождается большое количество тепловой энергии (100 МВт) за 10⁴-доли секунды, генерируется ударная волна внутри кольцевого генератора 4, которая перемещает магнитную или токопроводящую среду, заполняющую кольцевой генератор, при наложении магнитного поля 5 запасенная кинетическая энергия преобразуется в электрическую. С помощью импульсного подкритического ядерного реактора образуют мощное ионизирующее излучение, его направляют в ионизирующую камеру 6, через которую пропускают внешнюю или запасенную среду 7, в результате чего образуется высокоионизированная плазма 8, которая подается через кольцевой канал 9 к ускорителю заряженных частиц 10, на который также подают электрическую мощность от кольцевых генераторов, состоящих из нескольких энергоблоков 16, в результате ускорения ионизированных частиц плазмы 11 заряженные частицы сталкиваются с нейтральными частицами, вызывая их ионизацию, а ускорение ионов возникает вследствие взаимодействия тока, протекающего по плазме с магнитным полем ускорителя, что приводит к увеличению числа заряженных частиц и образованию высокоскоростной струи 12 и тяги двигателя в газовой среде (в атмосфере планеты), где набегающий поток воздуха 13 смешивается в диффузоре 14 с высокоионизированной плазмой и попадает в ускоритель заряженных частиц, где ионы ускоряются с образованием новых ионов и вылетают в конфузор 15, поскольку истекающая плазма состоит из ионов и электронов, дополнительного устройства для нейтрализации струи не требуется. Так в режиме полета в атмосфере плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель имеет максимальный расход рабочей среды и оптимальную скорость истечения рабочего тела, а в стратосфере средний расход рабочей среды и среднюю скорость истечения, в космосе минимальный расход и максимальную скорость истечения. С целью увеличения объемов получаемой плазмы и электрической мощности, подаваемой на ускоритель, двигатель содержит несколько энергоблоков 16. Меняя направление подачи рабочей среды при помощи клапанов 17 и переключателя подачи рабочей 18, а также меняя направление работы ускорителя при помощи переключателя 19, можно реверсировать тягу двигателя.

Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель применим как маршевый двигатель для летательных аппаратов типа самолетов, так и для одноступенчатых космических аппаратов.

1. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель, содержащий диффузор, рабочую камеру, конфузор, устройство подачи рабочей среды в камеру, отличающийся тем, что он снабжен плазменным генератором, устройством, генерирующим переменное магнитное поле, размещенным вокруг рабочей камеры, ядерным импульсным подкритическим реактором, соединенным с накопителем нейтронов и нейтронным каскадным умножителем и сообщенным с кольцевым генератором электрического тока, выполненным в виде полого кольца, представляющий энергетический модуль реактор также соединен с ионизаторами рабочей среды, связан ими с бортовым и внешним источником этой среды, соединенными с помощью каналов ввода рабочей среды с полостью рабочей камеры ускорителем заряженных частиц.

2. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен несколькими модулями, включающими кольцевой генератор электрического тока, ядерный импульсный подкритический реактор, накопителями нейтронов и нейтронными каскадными умножителями.

3. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочая камера, ее конфузор и диффузор имеют возможность реверсивной работы за счет оснащения рабочей камеры с двух ее сторон каналами ввода рабочей ионизированной среды, оснащенными управляемыми клапанами.

Как работает ионный двигатель и где он применяется: luckyea77 — LiveJournal

Ученые уже придумали или готовятся придумать много новых типов двигателей для космических кораблей. Самые смелые предположения даже говорят про варп-двигатель, который должен разгонять корабль до скоростей, в несколько раз превышающих скорость света за счет искривления пространства в мощном гравитационном поле. Пока это только фантастика, которая скоро может стать перспективой. Зато ионные двигатели уже существуют и даже применяются. Они уже на данном этапе могут развивать скорости в несколько раз выше тех, что предлагают традиционные ракетные двигатели. Правда, они не могут отправить ракету в космос. Вот такие противоречия. Но как же тогда работает ионный двигатель и почему на данном этапе это действительно является технологией будущего?

Такой двигатель может разгоняться до очень больших скоростей.

Как работает ионный двигатель

Принцип работы ионного двигателя простой и сложный одновременно. Он заключается в ионизации газа, который разгоняется электростатическим полем для получения реактивной тяги и разгона космического корабля согласно третьему закону Ньютона.

Топливом или рабочим телом такого двигателя является ионизированный инертный газ (гелий, аргон, неон, ксенон, криптон, оганесон, радон). Впрочем, не все инертные газы стоит использовать в качестве топлива, поэтому, как правило, выбор ученых и исследователей падает на ксенон. Также рассматривается вариант использования ртути в качестве рабочего тела ионного двигателя

Во время работы двигателя в камере образуется смесь из отрицательных электронов и положительных ионов. Так как электроны являются побочным продуктом, их надо отфильтровать. Для этого в камеру вводится трубка с катодными сетками для того, чтобы она притягивала к себе электроны.

Положительные ионы, наоборот, притягиваются к системе извлечения. После чего разгоняются между сетками, разница электростатических потенциалов которых составляет примерно 1 200 Вольт, и выбрасываются в качестве реактивной струи в пространство.

Схематичное изображение работы ионного двигателя.

Электроны, которые попали в катодную ловушку, должны быть удалены с борта корабля, чтобы он сохранял нейтральный заряд, а выброшенные ионы не притягивались обратно, снижая эффективность установки. Выброс электронов осуществляется через отдельное сопло под небольшим углом к струе ионов. Таким образом, что произойдет в их взаимодействии после покидания двигателя, уже не так важно, ведь они не мешают движению корабля.

Преимущества ионного двигателя для космического корабля

Ионы на выходе из двигателя разгоняются до очень высоких скоростей. В своем максимуме они могут достигать 210 км/с. При этом, химические ракетные двигатели не способны достигать и 10 км/с, находясь в диапазоне 3-5 км/с.

Возможность достижения большого удельного импульса позволяет очень сильно сократить расход реактивной массы ионизированного газа в сравнении с аналогичным показателем для традиционного химического топлива. А еще, ионный двигатель может непрерывно работать более трех лет. Энергия, которая нужна для ионизации топлива берется от солнечных батарей — в космосе с этим проблем нет.

Если спешить с ускорением некуда, то ионный двигатель станет отличным вариантом.

Недостатки ионных двигателей

Возможность продолжительной работы ионного двигателя очень важна, так как он не способен развивать высокую тягу и моментально разгонять корабль до больших скоростей. В нынешних реализациях тяга ионных двигателей с трудом достигает 100 миллиньютонов.

Из-за такой конструктивной особенности, как минимум пока, такой двигатель не дает возможности стартовать с другой планеты, даже если у нее очень маленькая гравитация.

Получается, что использование таких двигателей для дальних путешествий пока невозможно без традиционных тяговых установок на химическом топливе. Зато, их совместное использование позволит гораздо более гибко пользоваться ускорением. Например, за счет обычного двигателя разгонять аппарат до более менее высокой скорости, а потом ускоряться еще больше за счет ионного двигателя.

Покорение дальнего космоса без новых технологий невозможно.

По сути, малая тяга на данный момент является главным недостатком таких двигателей, но ученые работают в этом направлении и в перспективе повысят его мощность, так как определенного прогресса удалось добиться уже сейчас.

Еще одной, пусть и не такой существенной, проблемой является надежность. В целом ионные двигатели достаточно надежны, но надо понимать, что их задача заключается в том, чтобы унести аппарат очень далеко и очень быстро. То есть работать он должен долго, чтобы не ставить под удар всю миссию. Поэтому, пока идут работы над увеличением мощности, разработчики стараются не забывать и о надежности.

Где используются ионные двигатели

Вам могло показаться, что ионные двигатели существуют только на бумаге и в лабораториях, но это не так. Они уже использовались, как минимум, в семи завершившихся миссиях и используются минимум в четырех действующих.

В том числе такие двигатели используются в рамках миссии BepiColombo, запущенной 20 октября 2018 года. В этой меркурианской миссии используются 4 ионных двигателя суммарной мощностью 290 миллиньютонов. Кроме этого, аппарат оснащен и химическим двигателем. Оба они в сочетании с гравитационными маневрами должны обеспечить выход корабля на орбиту Меркурия в качестве искусственного спутника.

Космический аппарат BepiColombo.

Использованием этих двигателей не брезгует и Илон Маск в своей программе Starlink, за счет этих двигателей корабль должен совершать небольшие маневры и уклоняться от космического мусора.

Сейчас планируется доставка на МКС ионной тяговой установки, которая позволит управлять положением станции в автоматическом режиме. Ее мощность подобрана исходя из доступной электрической мощности станции. Для большей надежности планируется так же доставка батарей, которые обеспечат 15 минут автономной работы двигателя.

Но самым необычным проектом был ”Прометей”. Корабль в рамках этого проекта планировалось отправить к Юпитеру со скорость 90 км/c. Ионный двигатель корабля должен бал работать от ядерного реактора, но из-за технических трудностей в 2005 году проект закрыли.

Когда изобрели ионный двигатель

При всей перспективности ионного двигателя, первый раз его концепцию предложил еще в 1917 году Роберт Годдард. Только спустя почти 40 лет Эрнст Штулингер сопроводил концепцию необходимыми расчетами.

Роберт Годдард.

В 1957 году вышла статья Алексея Морозова под названием ”Об ускорении плазмы магнитным полем”, в которой он описал все максимально подробно. Это и дало толчок к развитию технологии и уже в 1964 году на советском аппарате ”Зонд-2” стоял такой двигатель для маневров на орбите.

Первый аппарат в космосе с ионным двигателем.

По сути, ионный двигатель является первым электрическим космическим двигателем, но его надо было дорабатывать и совершенствовать. Этим и занимались долгие годы, а в 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе. Показанный тогда малый КПД и низкая тяга надолго отбили желание американской космической промышленности пользоваться такими двигателями.

В СССР разработки продолжались и после этого времени. И европейское, и американское космические агентства вернулись к этой идее. Сейчас исследования продолжаются, а выведенные на орбиту образцы двигателей, хоть и не могут быть главным тяговым элементом управления, но зато проходят ”проверку боем”. Собранная информация позволит увеличить мощность ионного двигателя. По разной информации, так удалось увеличить тягу самого мощного подобного двигателя более чем до 5 Н. Если это так, то все действительно не зря.

Ионный двигатель — ключ к исследованию дальнего космоса

Эван Гоф, Universe Today

Успокаивающее голубое свечение ионного двигателя. Кредит: НАСА

Когда мы думаем о космическом путешествии, мы склонны представлять массивную ракету, взлетающую с Земли, с огромными взрывными потоками огня и дыма, вырывающимися из-под днища, в то время как огромная машина пытается избежать земного притяжения. Ракеты — наш единственный способ уйти от земного притяжения — пока. Но как только космический корабль разорвал свою гравитационную связь с Землей, у нас есть другие варианты их питания. Ионный двигатель, о котором давно мечтали в научной фантастике, теперь используется для отправки зондов и космических кораблей в дальние путешествия в космосе.

НАСА впервые начало исследования ионного движения в 1950-х годах. В 1998 году ионный двигатель был успешно использован в качестве основной двигательной установки на космическом корабле, приводящем в действие Deep Space 1 (DS1) во время его миссии к астероиду 9969 Брайля и комете Боррелли. DS1 был разработан не только для посещения астероида и кометы, но и для проверки двенадцати передовых технологий с высокой степенью риска, главная из которых — сама ионная двигательная установка.

Ионные двигательные установки генерируют небольшую тягу. Держите девять четвертаков в руке, почувствуйте, как гравитация Земли притягивает их, и вы поймете, как мало они создают тяги. Их нельзя использовать для запуска космических аппаратов с тел с сильной гравитацией. Их сила заключается в том, что они продолжают создавать тягу с течением времени. Это означает, что они могут развивать очень высокие максимальные скорости. Ионные двигатели могут разогнать космический корабль до скорости более 320 000 км/ч (200 000 миль в час), но для достижения этой скорости они должны работать в течение длительного времени.

Ион – это атом или молекула, которые либо потеряли, либо приобрели электрон и поэтому имеют электрический заряд. Итак, ионизация — это процесс придания заряда атому или молекуле путем добавления или удаления электронов. После зарядки ион захочет двигаться относительно магнитного поля. Это лежит в основе ионных приводов. Но некоторые атомы подходят для этого лучше. Ионные двигатели НАСА обычно используют ксенон, инертный газ, потому что нет риска взрыва.

Деталь ионного двигателя. Изображение: Исследовательский центр Гленна НАСА. Предоставлено: Векторизация Чабакано.

В ионном приводе ксенон не является топливом. Он не сгорает и не обладает присущими ему свойствами, делающими его пригодным в качестве топлива. Источник энергии для ионного двигателя должен быть откуда-то еще. Этим источником может быть электричество от солнечных батарей или электричество, полученное за счет остаточного тепла ядерного материала.

Ионы создаются путем бомбардировки газа ксенона электронами высокой энергии. После зарядки эти ионы втягиваются через пару электростатических сеток, называемых линзами, под действием своих зарядов и выбрасываются из камеры, создавая тягу. Этот разряд называется ионным пучком, и в него снова инжектируются электроны, чтобы нейтрализовать его заряд.

В отличие от традиционной химической ракеты, тяга которой ограничена количеством топлива, которое она может нести и сжечь, тяга, генерируемая ионным двигателем, ограничена только мощностью его электрического источника. Количество топлива, которое может нести корабль, в данном случае ксенона, является второстепенной задачей. Космический корабль НАСА Dawn использовал всего 10 унций ксенонового топлива — это меньше, чем банка газировки — за 27 часов работы.

Теоретически мощность источника электроэнергии, питающего двигатель, не ограничена, и ведутся работы по созданию еще более мощных ионных двигателей, чем те, которые есть у нас сейчас. В 2012 году эволюционный ксеноновый двигатель НАСА (NEXT) работал на мощности 7000 Вт в течение более 43 000 часов, по сравнению с ионным двигателем на DS1, который потреблял всего 2100 Вт. NEXT и проекты, которые превзойдут его в будущем, позволят космическим кораблям выполнять расширенные миссии к нескольким астероидам, кометам, внешним планетам и их лунам.

Миссии с использованием ионного двигателя включают миссию NASA Dawn, японскую миссию Hayabusa к астероиду 25143 Itokawa и предстоящие миссии ESA Bepicolombo, которые отправятся к Меркурию в 2017 году, и LISA Pathfinder, которые будут изучать низкочастотные гравитационные волны.

Благодаря постоянному совершенствованию ионных двигателей этот список будет только расти.

Эволюционный ксеноновый двигатель НАСА. Кредит: НАСА

Узнайте больше

Революционный ионный двигатель, который доставил космический корабль к Церере

Источник:
Universe Today

Цитата :
Ионный двигатель — ключ к освоению дальнего космоса (4 ноября 2015 г. )
получено 29 сентября 2022 г.
с https://phys.org/news/2015-11-ion-propulsionthe-key-deep-space.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Усовершенствованный ионный двигатель с использованием изотопа Krypton для ракетного двигателя-IJERT

Усовершенствованная ионная движущая сила с использованием изотопа Krypton для ракетного двигателя

R. SARO

Департамент аэрофотоспит Г-н В. Киртивасан Доцент кафедры AERO-PITS

Г-н Т. Анбарасан

Заведующий кафедрой AERO-PITS

Резюме: Ракетный двигатель представляет собой устройство хранения ракетного топлива, которое образует высокоскоростное движущая струя жидкости с высокотемпературным газом. Изотоп криптона используется для производства горячих позитронов. Изотопы получают с помощью нейтронов, которые производят реакторы. Позитроны были сгенерированы и направлены на действие, которое в дальнейшем получило термоядерный импульс. Позитронная динамика уменьшает скорость генерируемых позитронов. Он состоит из устройства замедлителя с несколькими слоями пленки карбида кремния, которые обеспечивают отдельные позитроны. Электрическое поле заставляет частицу двигаться к каждому слою, где частицы охлаждаются. Катализируемая реакция синтеза позитрона находится в блоке дейтерия. Когда частица срабатывает дейтерием, она создает тягу.

Ключевые слова Позитроны, Слой карбида кремния, Дейтерий, Захват нейтронов.

РИС. 1.1-РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ ДВИГАТЕЛЯ

ВВЕДЕНИЕ

Слово «движение» означает толчок вперед или перемещение объекта вперед. Двигательная установка имеет механическую мощность, которая преобразует мощность в движущую силу. Обычно эта система состоит из двух классификаций двигателей с воздушным дыханием и двигателей с невоздушным дыханием. В воздушном двигателе он подразделяется на газотурбинный и негазотурбинный двигатель, а в невоздушном двигателе он подразделяется на ракетный двигатель.

Ракетный двигатель представляет собой устройство хранения ракетного топлива, которое образует высокоскоростную реактивную струю жидкости с высокотемпературным газом. Он создает тягу по третьему закону Ньютона. Он использует сжигание химических веществ для получения энергии. Имеет собственные окислители. Транспортные средства, использующие ракетные двигатели, называются ракетными. Эти двигатели также могут использоваться в вакууме для космических кораблей и ракет. В химическом ракетном двигателе горячие выхлопные газы образуются в результате химического сгорания. Топливо и окислители представляют собой два типа химического топлива в ракетном двигателе. Оба топлива необходимы для сгорания.

Космический корабль замедлялся из-за скорости химической ракеты в течение многих лет. К 2050 году возможна только скорость более 1 миллиона миль в час. Новые ионные приводы разрабатываются, чтобы обеспечить в десять раз больше, чем ISP. В соответствии с ионными двигателями изотопы криптона используются для производства горячих позитронов. Эти изотопы получают с помощью нейтронов, которые производят реакторы. Позитроны генерировались и направлялись для получения термоядерного двигателя.

ДВИГАТЕЛЬ FUSION

Двигатель Fusion приводится в движение ракетой. Он имеет большую эффективность и ускорение в космосе без большого количества топлива. Конструкция ракеты крупнее и сложнее, чем у других космических кораблей. В настоящее время развитие технологии термоядерной энергетики выходит за рамки возможностей. Основным преимуществом термоядерного синтеза является очень высокий удельный импульс, а недостатком — большая масса реактора. Термоядерная ракета излучает меньше радиации, чем ракета деления.

ЭНЕРГИЯ ИОНИЗАЦИИ

Энергия ионизации – это минимальное количество энергии, необходимое для удаления электрона. Полученный называется изолированным нейтральным газообразным атомом или молекулой. Если электрон удалить из какого-либо атома или молекулы, то он образуется как эндотермический процесс. Эндотермический процесс — это форма тепла, которая поглощает энергию из окружающей среды.

РИС. 2.1.-ЭНЕРГИЯ ИОНИЗАЦИИ В ОТНОШЕНИИ АТОМНОГО НОМЕРА

В зависимости от энергии ионизации атомный номер изменяется в форме инертных газов, таких как ксенон-54, криптон-36, аргон-18, неон-10 и гелий-2. В ионизационных двигателях мы используем криптон с позитроном, потому что у него меньше атомный номер. Если атомный номер элемента меньше, он уравновешивает и помогает создать большую тягу по сравнению с химическим топливом.

ПОЗИТРОННАЯ ДИНАМИКА

Позитронная динамика мощность, вырабатываемая ракетным двигателем на основе позитрона. Позитрон иначе называют положительным электроном, где положительно заряженные субатомные частицы имеют ту же массу, что и электрон, с равным числовым значением. Эта позитронная динамика помогает снизить скорость генерируемых позитронов. Область состоит из замедляющего устройства с несколькими слоями покрытия. Эти позитроны отправляются на замедлитель. Это устройство измеряется с точки зрения 3 * 3 миллиметра. Атомный номер криптона 36. Обычно изотоп криптона состоит из стабильных изотопов, а именно криптон-78, криптон-79., криптон-80, криптон-85, криптон-90 и так далее. Он имеет небольшой радиоактивный изотоп, который производит космические лучи в атмосфере. В качестве позитрона в этом процессе используется криптон-79. И источник назван источником позитронов.

УСТРОЙСТВО МЕДЕРАТОРА

Карбид кремния представляет собой не что иное, как пушистое волокно, которое делает ракетный двигатель прочнее и легче, а также помогает выдерживать сильное тепло, выделяемое двигателем. Он выдерживает температуру до 1600 градусов по Цельсию. Устройство замедлителя используется для извлечения отдельных позитронов, а электрическое поле заставляет частицы дрейфовать к каждому слою карбида кремния, где позитроны охлаждаются. Эта реакция синтеза помогает передавать кинетическую энергию гамма-лучей, производящих позитрон, в заряженные частицы. Эти охлажденные частицы позитронов направляются к блоку дейтерия.

Рис.3.1. Устройство замедлителя

ДЕЙТЕРИЙ

Водород имеет большее количество изотопов и дейтерий является одним из них. У дейтерия есть и протон, и нейтрон. Этот изотоп тяжелее, потому что он содержит нейтроны, и поэтому он также известен как тяжелый водород.

РИС. 3.2.1-ДЕЙТЕРИЙ

Ядро дейтерия также называют дейтроном. Он имеет атомное ожидание 2,014. Он в основном используется в прототипе термоядерного реактора. Он используется в ряде обычных ядерных реакторов в виде тяжелой воды.

Область дейтерия называется термоядерным ядром. Позитроны срабатывают в дейтерии и оставляют высокую эффективность тяги. А с другой стороны сработавший позитрон преобразуется в тягу с одной стороны, а с другой стороны криптоновый элемент отправляется в исходное положение. то есть источник позитронов. Затем тот же цикл происходит случайным образом.

РИС.3.2.2- ДЕЙТЕРИЕВАЯ ОБЛАСТЬ В ЯДРЕ СТЯЖЕНИЯ

РЕЗУЛЬТАТЫ

РИС. 4.1-ИЗОТОПНАЯ ДВИГАТЕЛЯ КРИПТОНА

РИС.4.2-КРИПТОН-79На пути к Deuterium

Рис.4.3-Krypton-78 на нейтронном положении

Рис.4.4-удар, произведенный после запуска

Рис.4.5-Криптонский цикл. как позитрон в ракетном двигателе. Таким образом, результаты показаны на приведенных выше рисунках.

На рис.4.1 показана общая конфигурация ионного двигателя с использованием криптона в качестве позитрона.
Рис.4.2 четко объясняет цикл через блок-схему, т.е. криптон-79испускается из источника позитронов и проходит через замедляющее устройство из слоя карбида кремния, которое помогает охлаждать испускаемые позитроны.
Рис.4.3 объясняет, что когда один электрон удаляется из криптона-79, он становится бромом-79 на источнике позитронов.
На рис. 4.4 показано, что когда позитрон активируется дейтерием, он создает большую тягу в направлении сопла, которое эффективно намагничивается. С другой стороны, электрон криптона-78 испускается при захвате нейтрона.
На рис.4.5 показана заключительная стадия, т.е. криптон-78 возвращается к источнику позитронов, который возвращается в исходное положение криптон-79, и процесс непрерывно зацикливается.

ССЫЛКИ

Смарсли В. Покрытия для передовых материалов для авиационных двигателей. В: 8-я конференция по высокомощному импульсному магнетронному распылению (HIPIMS), Шеффилдский университет, Великобритания; 12 июля 2009 г.
Хельм Д. Родер О. Последние исследования и разработки титана в Германии.
Brendel T, Heutling F, Eichmann F, Ucker M, Uihlein T. Решения MTU против эрозионного воздействия и потери запаса EGT в покрытии ER турбодвигателей. техническая публикация MTU; 2008.
Ф.Ю и Т.Д.Беннетт (2005). «Неразрушающий метод определения тепловых свойств термобарьерных покрытий». Дж. Заявл. физ. 97: 013520.
Кларк, Дэвид Р.; Филпот, Саймон Р. (2005). «Термобарьерные материалы для покрытий». Материалы сегодня. 8 (6): 2229.
Падтуре Нитин П.; Гелл Морис; Джордан Эрик Х. (2002). «Термобарьерные покрытия для газотурбинных двигателей». Наука. 296 (5566): 280284

ИОННАЯ РАКЕТА С ИСТОЧНИКОМ ИОНОВ ЭЛЕКТРОННОЙ БОМБАРДЫ (Технический отчет)

ионная РАКЕТА С ИСТОЧНИКОМ ИОНОВ ЭЛЕКТРОННОЙ БОМБАРДЫ (Технический отчет) | ОСТИ.GOV

перейти к основному содержанию

Полная запись
Другие родственные исследования

Исследован ионно-ракетный двигатель с 10-сантиметровым ионно-бомбардировочным источником ионов диаметром 10 см. Представлены теоретические и экспериментальные результаты. Получены ртутно-ионные выхлопные пучки до 0,06 ампер с суммарным КПД двигателей от 0,27 до 0,33 при удельных импульсах от 4500 до 5500 с. Использование более эффективной катушки возбуждения для создания необходимого малого магнитного поля может увеличить эти значения примерно до 0,40 и 0,45. Дальнейшее повышение эффективности возможно за счет улучшения других компонентов. Эффективность использования топлива достигала 0,80. Источник с электронной бомбардировкой представляется одним из наиболее перспективных для ионных ракет. (авт.)

Авторов:: Кауфман, Х. Р.

Дата публикации:: 1961-01-01

Исследовательская организация:: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. Исследовательский центр Льюиса, Кливленд

Идентификатор ОСТИ:: 4076793

Номер(а) отчета:: НАСА-TN-D-585

Номер АНБ:: НСА-15-011760

Тип ресурса:: Технический отчет

Отношение ресурсов:: Прочая информация: ориг. Дата получения: 31-DEC-61

Страна публикации:: США

Язык:: Английский

Тема:: ФИЗИКА; КАТУШКИ; ТОКИ; ЭФФЕКТИВНОСТЬ; ЭЛЕКТРОНЫ; ИОННЫЕ ПУЧКИ; ИСТОЧНИКИ ИОНОВ; ИОНЫ; ОБЛУЧЕНИЕ; МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ; МЕРКУРИЙ; СИЛА; ДВИГАТЕЛЬ; ИМПУЛЬСЫ; РАКЕТЫ

Форматы цитирования

MLA
АПА
Чикаго
БибТекс

Кауфман, Х. Р. ионная ракета с ионным источником электронной бомбардировки . США: Н. П., 1961. Веб.

Копировать в буфер обмена

Кауфман, Х. Р. ионная ракета с ионным источником электронной бомбардировки . Соединенные Штаты.

Копировать в буфер обмена

Кауфман, Х. Р. 1961. «ИОННАЯ РАКЕТА С ИСТОЧНИКОМ ИОНОВ ЭЛЕКТРОННОЙ БОМБАРДЫ». Соединенные Штаты.

Копировать в буфер обмена

@статья{osti_4076793, title = {ИОННАЯ РАКЕТА С ИСТОЧНИКОМ ИОНОВ ЭЛЕКТРОННОЙ БОМБАРДЫ}, автор = {Кауфман, Х. Р.}, abstractNote = {Исследовался ионно-ракетный двигатель с ионным источником с электронной бомбардировкой диаметром 10 см динметра. Представлены теоретические и экспериментальные результаты. Получены ртутно-ионные выхлопные пучки до 0,06 ампер с суммарным КПД двигателей от 0,27 до 0,33 при удельных импульсах от 4500 до 5500 с. Использование более эффективной катушки возбуждения для создания необходимого малого магнитного поля может увеличить эти значения примерно до 0,40 и 0,45. Дальнейшее повышение эффективности возможно за счет улучшения других компонентов. Эффективность использования топлива достигала 0,80. Источник с электронной бомбардировкой представляется одним из наиболее перспективных для ионных ракет. (авт.)}, дои = {}, URL = {https://www.osti.gov/biblio/4076793}, журнал = {}, номер =, объем = , место = {США}, год = {1961}, месяц = {1} }

Копировать в буфер обмена

Дополнительную информацию о получении полнотекстового документа см. в разделе «Доступность документа». Постоянные посетители библиотек могут искать в WorldCat библиотеки, в которых может храниться этот предмет. Имейте в виду, что многие технические отчеты не каталогизированы в WorldCat.

Экспорт метаданных

Сохранить в моей библиотеке

Вы должны войти в систему или создать учетную запись, чтобы сохранять документы в своей библиотеке.

Аналогичных записей в сборниках OSTI.GOV:

Аналогичные записи

Глобальные модели радиочастотных ионных двигателей | EPJ Techniques and Instrumentation

Исследовательская статья
Открытый доступ
Опубликовано: 19 июля 2021 г.

Патрик Дитц
ORCID: orcid.org/0000-0001-5901-6654 ¹ ,
Андреас Рих ² ,
Константин Кейл ¹ ,
Kristof Holste ¹,
UWE Probst ²,
Питер Дж. Клар ¹ &
…
.1 и
…
.1 и
…
.19037 и
…
.
Методы и инструменты EPJ
том 8 , номер статьи: 10 (2021)
Процитировать эту статью
- 3420 доступов
- 2 Цитаты
- 1 Альтметрика
- Сведения о показателях
Abstract
Зарождающаяся «новая космическая» эра усиливает важность быстрой разработки и аттестации электрических двигателей и их периферийных устройств. Ключевым элементом является надежное моделирование двигателей и их блоков питания в коротких масштабах времени. Глобальные модели, по-видимому, хорошо подходят для этой цели. В этой статье представлены три варианта глобальных моделей, которые подтверждаются сравнением с экспериментальными результатами. Все модели показывают отличное согласие с экспериментом, что свидетельствует о силе этого подхода к моделированию. Будущие разработки радиочастотных ионных двигателей могут быть значительно ускорены с помощью этих глобальных моделей.
Введение
С 2021 года электрические двигатели космических аппаратов (ЭР) стали неотъемлемой частью современных космических полетов. Он позволяет выполнять высокоэффективные по массе и, следовательно, экономически выгодные миссии с увеличенным сроком службы в отличие от обычных химических двигателей. На ум приходят два важных приложения, для которых ЭП оказала разрушительное влияние: удержание геостационарных/геосинхронных станций (GSK) и подъем на электрическую орбиту (EOR) телекоммуникационных спутников [1]. Как правило, небольшие химические орбитальные двигательные установки, такие как двигатели с холодным газом или монотопливные двигатели, использовались для компенсации эклиптических эффектов и солнечного ветра во время миссий GSK, что приводило к высокому соотношению влажной и сухой массы спутников из-за низкого удельный импульс I _sp указанных движителей. Кроме того, чтобы вывести геостационарные телекоммуникационные спутники (геоспутники) на их рабочие орбиты, пусковая установка должна вывести спутники непосредственно на геостационарную эллиптическую переходную орбиту (GTO). Как правило, химические одно- или двухтопливные двигатели использовались для инициирования запуска в апогее, чтобы в конечном итоге вывести телекоммуникационные спутники на их конечные орбиты. Эти ожоги потребляли большое количество топлива из-за сравнительно низкого I _sp так называемых «двигателей апогея». Требуемое топливо значительно увеличило стартовую массу и объем спутника. Однако полный перенос занял всего около одной недели, прежде чем спутники полностью заработают на орбите.
В последние годы при использовании EP для GSK и EOR [2] может быть достигнута существенная экономия финансовых средств. Из-за гораздо более высокого I _sp (до 10 раз) по сравнению с типичными химическими устройствами возникают значительные экономические преимущества, поскольку количество запускаемого топлива может быть значительно уменьшено. Поскольку общая стоимость миссии сильно зависит от абсолютной массы запуска, может быть достигнута либо значительная экономия финансовых средств, либо значительное увеличение сухой массы. В настоящее время большинство геоспутников выводятся на низкую околоземную орбиту (НОО) с помощью ракеты-носителя. С использованием непрерывно работающих электрических двигателей достигается постоянный (электрический) подъем орбиты (EOR), который потребляет только доли массы топлива, обычно связанной с подъемом орбиты. Однако по сравнению с химическими двигателями МУН требует значительно большего времени на раскрутку из-за малой тяги ЭРД (до 6 месяцев). Учитывая перечисленные выше преимущества (в первую очередь тот факт, что геоспутники могут использовать одни и те же двигатели для EOR и GSK, избавляя от необходимости использовать разные системы с разными трубопроводами, клапанами, резервуарами и т. д.), многие спутниковые операторы в настоящее время отдают предпочтение этому варианту. .
Существуют различные типы устройств EP, доступных и готовых для этих приложений [3, 4]. Двигатели на эффекте Холла (HET) были испытаны в полете с 1971 года [5] и до настоящего времени были первым выбором для требований EP. Однако жизнеспособной альтернативой являются радиочастотные (РЧ) ионные двигатели. В основном это связано с их обычно почти в два раза более высокой I _sp , которая находится в районе 3000–4000 с. Кроме того, генерация и вывод плазмы могут рассматриваться как несвязанные механизмы, что облегчает масштабирование ионных двигателей RF. Это делает их, в принципе, оптимальной технологией для МУН и ГСК. К сожалению, у ионных двигателей RF часто возникают проблемы со сроком службы, возникающие в результате эрозии сетки вывода. В отличие от HET, где ионы плазмы извлекаются через кольцевое отверстие (подробное описание HET см. в [3] и ссылках в нем), в РЧ ионных двигателях ионы извлекаются из плазмы с помощью системы вывода с сеткой; отсюда их классификация как ионный двигатель с сеткой (GIE). Неотъемлемой проблемой GIE являются эффекты эрозии сетки, вызванные ионами высокой энергии, напрямую бомбардирующими сетки (прямое столкновение), или столкновениями с перезарядкой (CEX) между быстрыми ионами и медленными нейтралами, которые обмениваются импульсом этих частиц. Последнее приводит к появлению быстрых нейтралов и медленных (положительных) ионов, которые притягиваются отрицательным потенциалом сетки ускорителя, что, в свою очередь, проявляется в так называемой «бочковой эрозии» сетки ускорителя [6].
Чтобы преодолеть эти недостатки, численный анализ часто выполняется, начиная с самой ранней стадии процесса разработки двигателя. Поскольку временные рамки в промышленности ограничены, а детальное знание внутренних микроскопических процессов часто не требуется, предпочтительным выбором являются глобальные и гибридные модели, оптимизированные по скорости. Поэтому точное знание таких деталей, как функция распределения электронов по энергии, которую можно определить с помощью подходов PIC-MCC [7], не обязательно требуется, если точность определения таких величин, как требуемая входная мощность РФГ существенно не уменьшается. Кроме того, глобальные модели могут быть довольно легко использованы для моделирования плазмы, питаемой молекулярными пропеллентами, такими как йод [8] или кислород [9].]. Как для йода, так и для кислорода разряд может быть электроотрицательным, что показывает, что глобальные модели применимы даже к такой плазме. Это замечательное преимущество моделирования источников ионов, используемых для обработки материалов, с использованием глобальных моделей, поскольку в них часто используются молекулярные газы, которые демонстрируют гораздо более сложную плазмохимию по сравнению с благородными газами. Электроотрицательные газы, такие как йод или гексафторид серы, также исследуются в качестве пропеллента для электрической двигательной установки без нейтрализатора, где извлекаются как отрицательно, так и положительно заряженные ионы, чтобы избежать зарядки космического корабля. Этот принцип был внедрен в рамках проекта PEGASES (плазменный двигатель с электроотрицательными газами) [10].
В этой статье мы хотим проанализировать различные подходы к моделям глобальных (и гибридных) РЧ-ионных двигателей, опубликованные в литературе, обсудить их плюсы и минусы в качестве инженерных инструментов при разработке двигателей и попытаться дать рекомендации по интеграции глобальных и гибридных моделей в этапы разработки реального двигателя. С этой целью мы кратко представляем наиболее актуальную физику РЧ ионных двигателей в разделе «Физика РЧ ионных двигателей», а затем представляем три различные, но, тем не менее, в чем-то похожие модели в разделе «Глобальное моделирование РЧ ионных двигателей»: чисто глобальную (далее именуемую как 0D-модель), 0D/2D (называемая 2D-моделью) и 0D/3D (называемая 3D-моделью) гибридные модели. Номенклатура обусловлена специальным обращением с плазменными и электромагнитными явлениями соответственно. Основные плазменные процессы описываются в глобальном (0D) виде, хотя и с небольшими изменениями в зависимости от прилагаемой электромагнитной модели (0D, 2D или 3D). Мы подробно разрабатываем теории, используемые для каждой из моделей, в соответствующих разделах. Эталонный двигатель (RIT-4), как показано на рис. 1, анализируется с каждой моделью в разделе «Сравнение и обсуждение результатов», а их соответствующие выходные данные сравниваются и подтверждаются экспериментами в разделе «Экспериментальная проверка».
Рис. 1
Слева: РЧ ионный двигатель в сборе, включая периферийные источники высокого напряжения (отрицательный: NHV, положительный: PHV), регулятор массового расхода (MFC) и радиочастотный генератор (RFG). Решетка экрана плавающая, так как подвод ПХВ подключен к вводу газа вместо сетки экрана. Справа: CAD-чертеж эталонного двигателя РИТ-4, использованного в этой статье, вкл. ток в катушке, электрическое и магнитное поле
Изображение полного размера
Физика ионных ВЧ двигателей
Основа ВЧ ионных двигателей, формально изобретенных Х. Лёбом в 1960s [11], представляют собой источники индуктивно-связанной плазмы (ИСП), которые широко использовались и до сих пор широко используются для целей обработки материалов [12–14]. Выгодные характеристики источников ICP для целей обработки материалов, т.е. масштабируемая энергия ионного пучка и малый угол расходимости также делают их интересными для космических двигателей. Малые углы расхождения коррелируют с высоким удельным импульсом, который связывает эффективную осевую скорость истечения двигателей c _eff с гравитационным ускорением на поверхности Земли г ₀ :
$$ I_{\text{sp}}=\frac{c_{\text{eff}}}{g_{0}}. $$
(1)
Высокая I _sp предполагает высокую эффективность использования массы, которую можно вывести из уравнения для тяги:
$$ F=\dot{m} c_{\text{eff}}. $$
(2)
Это соотношение выводится непосредственно из законов Ньютона (в основном из третьего закона Нетвона «действие = противодействие», отражающего сохранение импульса) и является важным показателем качества для космических двигательных установок. Подставляя уравнение (1) в уравнении (2) приводит к
$$ I_{\text{sp}}=\frac{F}{\dot{m} g_{0}}, $$
(3)
что показывает, что при постоянной тяге F малая масса расход $\dot {m}_{\mathrm {p}}$ соответствует высокому I _sp .
Из уравнения. (1) очевидно, что высокие I _sp основаны на высокой эффективной осевой скорости истечения, которую можно получить, соответствующим образом подгоняя напряжения вытяжной сетки к параметрам ВЧД. Напряжения сети В _экран и V _{ускорение} соответствуют потенциалам сетки экрана и сетки ускорения соответственно. V _Экран определяет кинетическую энергию и, следовательно, скорость истечения извлеченных ионов по отношению заряда к массе q _i / m _i читает:
$$ c _ {\ text {eff}} \ приблизительно \ sqrt {\ frac {2q _ {\ mathrm {i}} {V} _ {\ text {экран}}} {m _ {\ mathrm {i}}} }\cos\эта. $$
(4)
Это приблизительное соотношение из-за пренебрежимо малого влияния потока ионов на стенки, вызванного падением напряжения В _p ≪ В _экран между центром плазмы и стенками, а также, во-вторых, нейтральным частицы, покидающие двигатель, имеют только тепловую скорость. Кроме того, η обозначает угол расхождения из-за компонентов радиальной скорости, которые не будут способствовать тяге, если предполагается идеальный осесимметричный ионный пучок.
Извлечение высокоскоростных частиц будет осуществлено только в том случае, если выход плазмы (энергия и плотность ионов на краю плазменной оболочки) будет достаточно высоким. Другими словами, должен быть достаточный поток носителей заряда (электронов и ионов) по направлению к вытяжной сетке, чтобы соответствовать величине создаваемой тяги. Тяга также может быть выражена как функция тока ионного пучка I _b и эффективной скорости истечения, что может быть получено при подстановке уравнения (4) в уравнении (2):
$$ F = I _ {\ mathrm b} \ sqrt {\ frac {2m _ {\ mathrm {i}} {V} _ {\ text {экран}}} {q _ {\ mathrm {i}}}} \ кос\эта. $$
(5)
Равные количества потоков электронов и ионов характеризуют ограниченную плазму. Так как во всех плазмах требуется квазинейтральность; т. е. положительный заряд должен равняться отрицательному заряду внутри основного объема в макроскопическом масштабе, а поскольку многие технологические плазмы, такие как те, которые используются в РЧ-ионных двигателях, состоят в основном из электронов и однократно положительно заряженных ионов, числовая плотность обоих видов приблизительно равна равный:
$$ n_{+}\приблизительно n_{-}. $$
(6)
Это уравнение, однако, не выполняется в плазменной оболочке между объемом плазмы и конструкционными стенками разрядного сосуда. Из-за их значительно меньшей массы электроны будут пересекать слой оболочки намного быстрее, чем ионы, что приводит к отрицательному заряду стенок по отношению к объему плазмы. Этот отрицательный потенциал способствует дальнейшему потоку ионов и препятствует дальнейшему потоку электронов к стенкам, и в конечном итоге возникает стационарное состояние с равными потоками ионов и электронов, что приводит к стабильным параметрам плазмы с n ₊ ≫ n ₋ в слое оболочки [12].
Поток частиц является прямым следствием параметров плазмы и, таким образом, связан с входными параметрами: током катушки $\ underline {I}_{\text {катушка}}$, радиочастотой f и массой топлива. поток \ (\ точка {м} _ {\ mathrm {р}} \). (Взаимо)зависимость параметров плазмы, электромагнитных полей и входного тока ВЧ-катушки может быть описана с помощью гармонического во времени уравнения диффузии электродинамического векторного потенциала
$$ \nabla\times\left(\frac{1}{\mu}\nabla\times\mathbf{\underline{A}}\right)+\mathrm{i}\omega\kappa\mathbf{\ подчеркивание {A}} + \ mathbf {\ underline {J}} _ {\ mathrm {s}} = \ mathbf {0}. $$
(7)
В этом уравнении $\mathbf {\underline {J}}_{\mathrm {s}}$ обозначает плотность тока источника, генерирующего векторный потенциал $\mathbf {\underline {A}}$ и ω = 2 π f . В этой статье подчеркивание обозначает комплексную величину.
В типичной низкотемпературной плазме проницаемость близка к вакуумной проницаемости ( 9{2}}\left(\nu_{\text{eff}}-\mathrm{i}\omega\right). $$
(8)
In this equation, ω _pe =( n _e e ² /( m _e ε ₀ )) ^0,5 – электронная плазменная частота; коллективные колебания электронного «облака», ε ₀ — диэлектрическая проницаемость вакуума и ν _eff — эффективная частота столкновений электронов. Строго для ВЧ-плазмы ионы часто рассматриваются как неподвижные по отношению к быстропеременным ЭМ полям из-за их инерции и, таким образом, не учитываются как первичных частиц в уравнении. (8). Однако они рассматриваются как фоновые частицы, с которыми могут сталкиваться электроны, поэтому они вносят вклад в эффективную частоту столкновений:
$$ \nu_{\text{eff}}=\nu_{\text{en}}+\nu_{\text{ei}}. $$
(9)
Первый член в этом уравнении представляет собой частоту упругих электрон-нейтральных столкновений, которая определяется из сечения столкновений, а второй член описывает упомянутые выше кулоновские столкновения между электронами и ионами. Подробная информация об этих процессах и лежащих в их основе сечениях приведена в работах [12–14, 17–20].
Уравнение (8) определяет электрическую мощность, необходимую для поддержания плазмы, в зависимости от стационарных условий параметров плазменного разряда, в основном температуры электронов T _e , плотности нейтрального газа n ₀ и объемной плотности ионов н ₊ . Уравнение (7) можно решить для 90 269 A 90 270 и связать с вектором электрического поля, предполагая отсутствие скалярного градиента потенциала в области объема плазмы [21], что приводит к
9{2}\right\} \mathrm{d}V, $$
(11)
с $E=\left |\underline {\mathbf {E}}\right |$.
Чтобы соотнести ВЧ-мощность с тяговыми характеристиками ионного ВЧ-двигателя, необходимо дополнительно изучить генерируемый ток пучка I _b. Ток пучка определяется выражением
$$ I_{\mathrm{b}}=en_{\mathrm{+,s}}u_{\mathrm{B}}A_{\mathrm{g}}\beta_{\mathrm{i}}, $ $
(12)
с элементарным зарядом e , плотность ионов на краю плазменного предслоя n _+,s , the Bohm velocity of ions u _B =( k _B T _e / m _i ) ^{0. 5} , the total cross section площадь экстракционной сетки A _g и ее коэффициент пропускания ионов β _i [12, 22]. Здесь предполагаются только однократно положительно заряженные ионы, что в определенной степени справедливо для большинства режимов работы РДД [22, 23].
Как можно вывести из уравнений. (11) и (12), плотность ионов, а также температура электронов в терминах u _B связывают ток ионного пучка с эффектами электромагнитного поля внутри плазменной камеры и, таким образом, с необходимой ВЧ-мощностью для поддержания соответствующее состояние плазмы.
Важной величиной является коэффициент пропускания ионов β _i, который самосогласованно зависит от параметров плазмы ( T _e и n ₋ ≈ n ₊, а также n ₀ ). Он определяется током ионного пучка, связанным с током, проходящим через плазменный (предварительный) слой. Таким образом, его можно получить, анализируя траектории ионов через экстракционную систему. Если произойдет сильная расфокусировка ионов, то β _i уменьшится, что также уменьшит ток пучка. Следовательно, пострадают тяга и общая тяговая характеристика подруливающего устройства. Кроме того, влияет расходимость луча, которая, следовательно, неразрывно связана с коэффициентом передачи. Более подробную информацию об ионной оптике в целом можно найти в [24–30], а в частности, с точки зрения моделирования коэффициента пропускания, она будет показана далее в статье.
Для фокусировки ионов и ускорения их до высоких скоростей истечения обычно используются экранные напряжения в диапазоне кВ. Мощность, рассеиваемая системой вытяжной сети, определяется выражением
$$ P_{\mathrm{g}}\приблизительно V_{\text{экран}}I_{\mathrm{b}}, $$
(13)
где В _экран — экран напряжение сети. Сетка ускорения имеет отрицательное смещение с В _{ускорение} . Целями этого подхода являются вышеупомянутая фокусировка ионов и отталкивание электронов, чтобы избежать обратного потока электронов (EBS), который изменяет условия работы двигателя и, следовательно, вызывает неблагоприятные механизмы эрозии. Однако, поскольку обычно I _{ускорение} ≪ I _б и | В _{ускорение} |< В _экран , на сетку ускорения почти не выделяется мощность. То же самое относится к наземной сети в 3-сетевых системах.
В целом мощность для поддержания заданного режима работы определяется суммой уравнений. (11) и (13). Силовая электроника может быть разделена на компоненты ВЧ и постоянного тока. В оставшейся части статьи более подробно будет проанализирована только радиочастотная электроника, поскольку она составляет неотъемлемую часть системы генерации плазмы. Часть постоянного тока может быть легко развязана, поскольку электроника постоянного тока может считаться линейной в большинстве рабочих условий.
Для обеспечения эффективной связи энергии ВЧ генератора (ВЧ) с плазмой двигателя его выходная частота часто согласовывается с резонансной частотой импеданса двигателя, который определяется омико-индуктивной плазменной нагрузкой и последовательным резонансным конденсатором. Кроме того, необходимо учитывать влияние питающего кабеля. Более подробная информация по этому вопросу приведена в других источниках [31, 32].
Полное сопротивление подруливающего устройства может быть соотнесено с его тяговыми характеристиками и, следовательно, с параметрами его входных клемм (напряжение, ток, частота) в соответствии с теоремой Пойнтинга:
9{2} \mathrm{d}V $$
(14)
Радиационными процессами пренебрегают, что справедливо из-за сравнительно низкой частоты (т.е. больших длин волн около 100 м) и коротких проводящих структур, не образующих никаких волновод. Импеданс \ (\ underline {Z} = R + \ mathrm {i} \ omega L \) может быть получен из уравнения. (14) следуя процедуре, изложенной в [14]. [21].
Моделирование глобального радиочастотного ионного двигателя
О глобальных моделях плазмы и источника ионов сообщалось с первых дней чрезвычайного роста вычислительных возможностей. Большинство из них можно проследить до Ref. [33] и ссылки в ней. Источники плазмы с индуктивной связью наиболее широко используются для обработки материалов. Поэтому в большинстве существующих мировых моделей основное внимание уделяется источникам плазмы индуктивного типа [15, 16]. Они считаются основой для многих опубликованных глобальных (0D) моделей радиочастотных ионных двигателей [8, 22, 34–38]. Общим для этих моделей является то, что они рассматривают все основные физические механизмы, как описано в уравнениях. (2)–(14) в глобальном, усредненном по объему виде. Это ускоряет моделирование и позволяет получать результаты даже для больших двигателей в разумные сроки. Таким образом, он предоставляет полезный инструмент виртуального прототипирования для разработки двигателей. Однако существуют определенные недостатки и ограничения глобальных моделей. Особенно, если сильные геометрические особенности нарушают симметрию. Обычно это имеет место для индукционных катушек РЧ ионных двигателей, которые часто бывают электрически короткими. Магнитное поле, создаваемое внутри таких катушек, нельзя считать чисто осевым; особенно на концах катушки будет сильная радиальная составляющая, которая нарастает, приближаясь к этим пределам. Эти радиальные компоненты будут оказывать измеримое влияние на передачу радиочастотной энергии в плазму и могут привести к значительным ошибкам, если о них не позаботятся должным образом (параметры масштабирования, подгоночные функции и т. д.).
Большинство проблем, вызванных глобальными предположениями, были решены с помощью двухмерных осесимметричных подходов. В некоторых моделях только ЭМ-решатель способен обрабатывать 2D-геометрии, и плазма по-прежнему считается однородной [34]. Существуют более последовательные подходы, предопределяющие распределение плотности [39–41], полученные либо из эмпирических исследований [42], моделей жидкости [43, 44], либо из полных столкновений частиц в ячейках/Монте-Карло (PIC/ МКЦ) подходов [7, 45, 46]. Очевидно, что жидкостные модели и особенно модели PIC/MCC нацелены на совершенно иной результат (более глубокое понимание поведения микроскопической плазмы, эволюцию статистических функций распределения и т. д.), чем глобальные модели, что из-за обычно большой продолжительности моделирования делает их непригодными для приложения для виртуального прототипирования.
Для обеспечения наиболее реалистичного представления электромагнитных полей внутри реальной геометрии двигателя необходимо использовать 3D-модели. Чтобы свести продолжительность моделирования к минимуму, даже эти модели связаны с однородными или предварительно определенными профилями плотности плазмы [47, 48]. Этот подход считается наиболее разумным компромиссом между точностью и продолжительностью моделирования. Однако, как будет показано в разделе «Сравнение и обсуждение результатов», для типичных цилиндрических геометрий разрядного сосуда и катушки двухмерный подход должен быть достаточно хорошим представлением фактической вовлеченной физики, даже если используются упрощенные решатели. Модели, разработанные в наших соответствующих институтах, показаны в следующих разделах. В таблице 1 перечислены основные рабочие механизмы и отличия предлагаемых моделей.
Таблица 1 Обзор предлагаемой модели
Полноразмерная таблица
Модель 0D
Рассматриваемая здесь глобальная модель основана на публикации Chabert et al. [36]. Кроме того, он был расширен путем привязки его к программному обеспечению IGUN [49] для адекватного моделирования ионной оптики сеточной системы двигателя.
Общая модель состоит из четырех связанных дифференциальных уравнений, описывающих изменение во времени плотности нейтрального газа n ₀ , плотности ионов или электронов n ₊ , температура нейтрального газа T ₀ и температура электронов T _e . Все коэффициенты скоростей рассчитываются с использованием сечений, предоставленных «базой данных Биаджи» [50], в предположении максвелловской функции распределения электронов по энергии. В то время как 3D-модель использует те же поперечные сечения, 2D-осесимметричная модель использует сечения, предоставленные «базой данных Hayashi» [51]. Предположение о максвелловской функции распределения довольно распространено в глобальном моделировании из-за простоты и отсутствия точных знаний о фактической функции распределения в плазме. Фактическое распределение может, среди прочих факторов, даже зависеть от рабочей точки двигателя. Многозарядные ионы не учитываются и в силу квазинейтральности основной плазмы ионная и электронная плотности описываются в модели одним и тем же уравнением. Температуры ионов и нейтрального газа предполагаются равными. Входные параметры, используемые для представления геометрии, имеют длину l _DC и радиус разрядной камеры R в дополнение к количеству витков катушки N _{Катушка} . Витки катушки считаются равномерно распределенными по всей длине цилиндрической разрядной камеры. Передаточные свойства сеточной системы описываются двумя безразмерными параметрами для нейтрального газа β _n и ионов β _i . {n- 1} \left(\frac{1}{A_{i+1}}-\frac{1}{A_{i}}\right) \cdot \delta_{i,i+1}. $$
(15)
- A ₁ : Сечение отверстия в сетке экрана.
- A _i : Сечение элемента с индексом i .
- P _Всего : Общая вероятность передачи.
- P _i : Вероятность передачи элемента индекса i .
  $$ \delta_{i,i+1} = \left\{\begin{array}{l} 1 \quad A_{i+1}
  (16)
Вероятность передачи для одного элемента канала извлечения 9{2}}. $$
(17)
Этот подход обычно оценивает несколько меньшие значения, примерно от 5 % до 10 % , от β _n по сравнению с более продвинутыми методами, такими как описанные в «2D axi- симметричная модель». По этой причине этот подход не использовался для моделирования этой публикации. Вместо этого использовалось значение, полученное более продвинутым методом, представленным в разделе «2D осесимметричная модель»; обеспечивает лучшую сопоставимость результатов.
Кроме того, частота высокочастотного тока в катушке, омическое сопротивление катушки на этой частоте, массовый расход топлива $\dot {m}_{\mathrm {p}}$, впрыскиваемого в разрядную камеру и мощность RF P _RF также являются входными параметрами модели. По температуре электронов, плотности ионов и плотности нейтрального газа можно рассчитать ионный ток, генерируемый двигателем. В отличие от работ Chabert et al. температура нейтрального газа поддерживалась постоянной, чтобы можно было сравнить этот подход к моделированию с двумя другими моделями.
На основе температуры электронов и плотности ионов, а также геометрии сетки и приложенных напряжений IGUN позволяет рассчитать извлеченный ионный ток [49]. Плотность ионов взвешивается коэффициентом 90 269 h 90 270 90 399 l 90 400 , который описывает отношение плотности плазмы от края к центру на поверхности сетки перед вводом в IGUN. Для расчета коэффициента h _l, а также h _r используется решение для режима промежуточного давления, введенное Годяком [53]. Полученный таким образом ионный ток служит для сравнения с ионным током, полученным из глобальной модели, чтобы иметь возможность найти значение параметра ионной оптики β _и . Это должно быть определено итеративно с помощью вышеупомянутого сравнения, поскольку параметр ионной оптики зависит и влияет на плотность частиц и температуру электронов.
Для определения параметров плазмы и необходимой ВЧ-мощности при заданном массовом расходе и уставке тока пучка I _{b, набор} применяется процедура, показанная на блок-схеме на рис. 2.
Рис. 2
Блок-схема глобальной модели, взаимодействующей с IGUN для определения параметров плазмы и мощности ВЧ
Изображение полного размера
При заданных параметрах двигателя решаются дифференциальные уравнения Чаберта и др., обозначенные как ОДУ на рис. 2. Значения плотности и температуры в установившемся режиме используются для расчета тока пучка I _b . ВЧ-мощность регулируется до тех пор, пока ток луча не совпадет с заданным значением тока луча. Затем выходные значения дифференциальных уравнений используются для выполнения расчета с помощью IGUN. Токовый выход пучка от IGUN ( I _IGUN ) сравнивается с током пучка из дифференциальных уравнений. Если токи не совпадают, параметр ионной оптики в глобальной модели будет скорректирован соответствующим образом. Если эти токи идентичны, необходимо проверить, соответствует ли ток луча заданному значению тока луча. Если это не так, мощность RF будет соответствующим образом скорректирована, и процесс будет повторен. Если ток луча глобальной модели и уставка тока луча совпадают, расчет в конкретной рабочей точке будет прекращен. Тяга рассчитывается по уравнению (5) в предположении параллельного ионного пучка и, следовательно, cos η =1.
2D осесимметричная модель
Достаточно подробное описание 2D модели дано в Ref. [41]. Здесь следует рассмотреть только самые важные особенности, чтобы дать читателю представление о внутренних механизмах модели и о том, как определить основные отличия от других представленных моделей. Примечательно, что в пределах двумерной осесимметричной области моделирования, описываемой цилиндрическими координатами ( r , ϕ , z ), все величины x считаются постоянными по отношению к азимутальному углу ϕ , что приводит к упрощенным уравнениям. Следовательно, все величины х , которые можно вывести из вектор-потенциала, не зависят от ϕ и, следовательно, ∂ х / ∂ ϕ =0. Это приводит к упрощенным уравнениям.
Блок-схема 2D-модели представлена на рис. 3.
Рис. 3
Блок-схема 2D модели
Изображение в натуральную величину
Здесь коэффициент прохождения сетки для ионов β _i состоит из нескольких одиночных коэффициентов прохождения τ _i ; по одному для каждого луча, в зависимости от плотности плазмы, прилегающей к каждой смоделированной ячейке сетки. Их значения хранятся как функции T _e и n ₊ в базе данных, и их значения интерполируются при доступе к глобальной модели. Коэффициенты пропускания ионов получаются с помощью собственного двумерного трекера траектории на основе метода PIC [54, 55], как описано в разделе «Ионы». Коэффициент передачи для нейтралей β _n предварительно определяется с помощью пакета SPARTA DSMC Sandia National Lab [56, 57]. Это явная функция геометрии экстракционной сетки, поскольку не предполагается межмолекулярных столкновений. Дополнительную информацию можно найти ниже в этом разделе.
Параметры уставки включают угловую частоту ω , ток пучка I _b,set , напряжения отбора В _экран и В _{ускорение} , массовый расход топлива $\dot {m} _{\mathrm {p}}$ и температура топлива и всех компонентов двигателя T ₀ . Предполагается полное тепловое равновесие нейтралов и ионов. Кроме того, для начала итерационной операции используются первоначальные наилучшие предположения об объемной плотности ионов/электронов n ₊ / n ₋ и максвелловской температуре электронов T _e.
Перед началом итераций плотность нейтрального газа, которая предполагается постоянной по всему объему, может быть получена как функция заданного значения тока луча:
$$ n_{0}=\frac{4\left(\dot{m}_{\mathrm{p}}-\frac{I_{\mathrm{b,set}}}{e}\right) }{v _ {\ text {th}} A _ {\ mathrm {g}} \ beta _ {\ mathrm {n}}}. $$
(18)
Здесь, V _TH = (8 K _B T ₀ /( π M ). магнитуда нейтралов, с их массой m и A _g площадь сетки извлечения.
Сохранение заряда 9{2} H \ влево (r, z \ вправо) \ mathrm {d} r \ mathrm {d} z = u _ {\ mathrm {B}} \ влево (\ int rH \ влево (R, z \ вправо) \ mathrm{d}z + \int rH\left(r,z_{\text{min}}\right) \mathrm{d}r + \int rH\left(r,z_{\text{max}}\right ) \mathrm{d}r\right) \end{array} $$
(19)
. T _e ) обозначает коэффициент скорости ионизации нейтралов падающими электронами и сильно связан с основной функцией распределения частиц, которая здесь предполагается максвелловской (предполагается, что электроны, ионы и нейтралы подчиняются закону Максвелла). распределение в фазовом пространстве, однако, поскольку T _E ≫ T _I ≈ T ₀, только ионы ( T _I) и Neutrall ( T _I) и Neutrall ( T _I) и Neutrall ( T _I) и Neutrall ( T _I) и Neutrall ( T _I) и Neutral. конструктивные элементы). R дополнительно обозначает верхнюю радиальную, z _min и z _max нижнюю и верхнюю осевые границы плазмы в области моделирования соответственно. H — это эвристическая функция распределения плотности, впервые представленная в Ref. [39{2}\right]} $$
(20)
Здесь h _r и h _l обозначают отношения поверхностной плотности к объемной, которые сильно зависят от n 0 z ₀ — осевой центр плазмы.
Уравнение (19) решается с помощью численного интегрирования и метода Ньютона для T _e .
Решатель электромагнитного поля / энергосбережение
С T _e и n ₀ проводимость плазмы из уравнения (8) можно сформулировать. Структурные компоненты двигателя, такие как вход для газа, индукционная катушка, вытяжная решетка и корпус, параметризуются моделями проводимости, зависящими от температуры, в соответствии с приближениями первого порядка.
$$ \каппа\влево(T_{0}\вправо)=\frac{1}{\rho_{0}\влево(1+\альфа\влево(T_{0}-\vartheta\вправо)\вправо )}, $$
(21)
с удельным электрическим сопротивлением ρ ₀ при температуре 𝜗 и параметр эмпирической подгонки α , который предоставляется для многих металлов базами данных, такими как NIST. Подробный обзор дан в Ref. [59].
ВЧ-мощность с индуктивной связью из уравнения (11) получается конечно-разностным представлением уравнения. (7) которая решается численно [47]. Эта поглощенная мощность в области плазмы вычисляется по отношению к мощности, теряемой при столкновениях и пристеночном потоке, и решается для n _{+ 9{2}\right\} \mathrm{d}V=P_{\mathrm{m}}+P_{\text{ei}}+P_{\text{iz}}+P_{\text{ex}}+ P_{\mathrm{w}} $$}
(22)
Потери потока при столкновении и пристенке определяются по формуле (с температурами T _e и T ₀ в V ):
$$\begin{array}{*{20}l} {}P_{\mathrm{m}} &=2\pi en_{+}n_{0}K_{\mathrm{m}}3\frac {m _ {\ mathrm {e}}} {m} \ left (T _ {\ mathrm {e}} -T_ {0} \ right) \ iint rH \ left (r, z \ right) \ mathrm {d} r \mathrm{d}z \end{массив} $$ 9{2} K _ {\ text {ei}} 3 \ frac {m _ {\ mathrm {e}}} {m} \ left (T _ {\ mathrm {e}} -T_ {0} \ right) \ iint rH \ влево(r,z\вправо) \mathrm{d}r \mathrm{d}z \end{массив} $$
(24)
$$\begin{array}{*{20}l} {} P _ {\ text {iz}} & = 2 \ pi en_ {+} n_ {0} K _ {\ text {iz}} E _ {\ text {iz}} \ iint rH \ left (r, z \ right) \ mathrm{d}r \mathrm{d}z \end{array} $$
(25)
$$\begin{array}{*{20}l} {}P_{\text{ex}} & = 2 \ pi en_ {+} n_ {0} \ sum_ {i} K _ {\ text {ex}, i} E _ {\ text {ex}, i} \ iint rH \ left (r, z \ right) \ mathrm{d}r \mathrm{d}z \end{array} $$
(26)
$$\begin{array}{*{20}l} {}P_{\mathrm{w}} &=2\pi en_{+}u_{\mathrm{B}}\left (\ frac {5} {2} T _ {\ mathrm {e}} + V _ {\ mathrm {p}} \ right) \ cdot \ left (\ int rH \ left (R, z \ right) \ mathrm {d } z + \ int rH \ left (r, z _ {\ text {min}} \ right) \ mathrm {d} r + \ int rH \ left (r, z _ {\ text {max}} \ right) \ mathrm { D} R \ Right) \ End {Array} $$
(27)
, где K _M, K _EI, K _IZ, K 7779999797999799999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999979R9н . Е _iz и E _ex обозначают коэффициенты скоростей передачи импульса (электрон-нейтраль), кулоновских столкновений (электрон-ион), однократной ионизации (электрон-нейтрал), возбуждения (электрон-нейтрал), первой ионизации энергетический порог и энергетический порог возбуждения. Для последних в случае ксенона в качестве газа-вытеснителя включено около 50 состояний. Падение напряжения в области предварительного слоя плазмы и слоя 90 269 В 90 270 90 399 p 90 400 определяется выражением
$$ V_{\mathrm{p}}=-T_{\mathrm{e}}\ln\left(\frac{4u_{\mathrm{B}}}{v_{\mathrm{e}}}\ right), $$
(28)
with the mean Maxwellian electron velocity v _e =(8 eT _e /( π m _e )) ^0.5 . Уравнение (22), наконец, может быть решено для n ₊ во внешнем итеративном цикле.
Вытяжная и производительная модель
С T _e и n ₊ сходились к стабильным значениям, изменение уравнения. (12) можно решить для тока пучка. Соответствующий параметр пропускания ионов β _i ( T _e , n ₊ ) вычисляется из каждого τ _i, хранящегося во время оценки из нескольких, хранящихся в справочной таблице. суб модели. Поэтому рекомендуется получить эту таблицу до моделирования глобальной модели, которое будет показано в следующем разделе.
Если расчетный ток луча не соответствует заданному значению уставки ( I _b ≠ I _{b, набор} ), ток катушки обновляется пропорционально-интегральным регулятором. После сходимости рассчитываются характеристики двигателя (уравнения (3) и (5)) и импеданс (полученный из уравнения (14)).
Моделирование коэффициента передачи
В этом разделе дается краткое описание двух подмоделей, которые определяют коэффициенты передачи для нейтрального потока β _n и поток ионов β _i . Обе модели нуждаются в фактической геометрии сетки извлечения в качестве входных данных.
Ионы
Коэффициент пропускания ионов β _i определяется кодом отслеживания траектории, приблизительно основанным на методе PIC. В этом случае предполагается осевая симметрия, поэтому можно оценить только центральный бимлет. Если расстояние между соседними бимлетами достаточно велико, ошибка пренебрежимо мала, что можно продемонстрировать по сравнению с полными трехмерными решениями PIC [60, 61].
Блок-схема кода отслеживания траектории показана на рис. 4.
Рис. 4
Блок-схема двумерной модели траекторий ионов
Изображение в натуральную величину [49, 60, 62–64] со специальной трактовкой дифференциального оператора для цилиндрической осесимметрии. В принципе, нелинейное уравнение статического электрического потенциала решается итеративно, в то время как ионы пересекают область моделирования до тех пор, пока все траектории не покинут область моделирования канала экстракции. Численное решение довольно сложно из-за нелинейного члена в уравнении Пуассона,
9{2}\Phi\left(r,z\right)=-\frac{e}{\epsilon_{0}}\left[n_{+}\left(r,z\right)-n_{\mathrm{ -,s}}\exp\left(\frac{\Phi\left(r,z\right)-\Phi_{0}}{T_{\mathrm{e}}}\right)\right], $$
(29)
, который определяется коэффициентом Больцмана для плотности электронов на краю слоя, где Φ ₀ обозначает потенциал ионов и электронов при входе в область моделирования на краю слоя плазмы. Он возникает из-за отрицательного потенциала стенки по отношению к объему максвелловской плазмы и препятствует электронам пересекать слой, если они не обладают достаточно высокой кинетической энергией. Однако крайне важно включить этот термин из-за нереалистичных траекторий ионов, поскольку все частицы извлекаются из квазинейтральной плазмы, а оболочка определяется эффектами пространственного заряда.
После каждого последующего обновления потенциала выполняется цепочка операций, которая а) вычисляет объемный заряд ионов в области моделирования («Разброс»), б) отображает векторы электрического поля, которые хранятся в дискретных точках сетки, на заряды, которые могут располагаться в произвольных положениях («Собрать»), в) использует эти значения электрического поля в качестве движущих сил в уравнении движения _p /dt с получением обновленных скоростей, а d) подталкивает ионы к новым координатам с обновленными значениями скорости («Push»). Для механизмов в c) и d) обычно используется метод Leapfrog, где векторы скорости и пространства смещены на половину шага по времени для повышения численной стабильности [65].
После того, как все ионы либо столкнулись с частями конструкции, либо покинули область моделирования, полученная карта пространственного заряда проверяется на наличие изменений по сравнению с ее предыдущей итерацией. Если это так, создается новая карта плотности ионов (как функция упомянутой карты пространственного заряда), которая возвращается к уравнению Пуассона. Цикл повторяется до тех пор, пока все величины не сойдутся в пределах заданного допуска.
Коэффициент пропускания ионов сетки β _i затем вычисляется из коэффициентов пропускания для каждого луча τ _i . Их можно разбить на функции тока, входящего в область моделирования I _в, и тока пучка I _b, выходящего из области (сумма всех токов пучка I _bl ):
$$ \beta_{\mathrm{i}}=\frac{\sum_{i}\tau_{i}A_{i}}{A_{\mathrm{g}}}=\frac{\sumI_{ \text{bl}}}{I _{\text{in}}}=\frac{I _{\mathrm{b}}}{I _{\text{in}}}. $$
(30)
Нейтралы
Коэффициент передачи для нейтралов является явной функцией геометрии сетки. Здесь двумерное представление вызывает серьезные ошибки, которые в конечном итоге приведут к очень неправильному балансу мощности. Следовательно, для этой конкретной проблемы выбрано трехмерное решение. Задача решается с помощью Sandia SPARTA (стохастический параллельный анализатор разреженного газа с точностью во времени). Смоделированное сечение показано на рис. 5 и проявляется как элементарная ячейка с симметричными граничными условиями для всех боковых границ (не в направлении потока).
Рис. 5
Область моделирования единичной ячейки, обработанная с помощью SPARTA: a ) Косая и b ) вид спереди
Полноразмерное изображение система сетки должна быть смоделирована. Из-за граничных условий симметрии возникает шестиугольный рисунок апертуры, типичный для решеток радиочастотных ионных двигателей.
Поток частиц считается свободномолекулярным, поэтому столкновения частиц не реализованы. Вместо этого учитываются только диффузные отражения со структурными компонентами.
Коэффициент пропускания получается таким же образом, как и для ионов, просто путем связывания потока частиц на нижней границе γ _ds с фиксированным числом на входе γ _в и масштабированием до полная геометрия сетки:
$$ \beta_{\mathrm{n}}=2N\frac{\gamma_{\text{ds}}}{\gamma_{\text{in}}}\frac{A_{\text{СПАРТА}} }{А _ {\ mathrm {г}}}. $$
(31)
В этом уравнении N обозначает количество извлеченных бимлетов, а A _SPARTA прямоугольная область области моделирования в SPARTA, представляющая половину луча извлечения, как показано на рис. 5.
Трехмерная модель
Модель, описанная в этом разделе, является расширением нашей ранее опубликованной модели [48]. Внутренний код трехмерной экстракции ионов, опубликованный в Ref. [61], используется для моделирования элементарной ячейки экстракционной системы с геометрией, показанной на рис. 5. Моделируемая область выбрана для представления одной элементарной ячейки неопределенно большого массива экстракционных каналов, расположенных шестиугольным образом. Этот подход с трехмерной реализацией учитывает влияние соседних отверстий и бимлетов на поведение ионной оптики; в отличие от осесимметричной обработки, представленной в последнем разделе. Тот же трехмерный подход используется для моделирования коэффициента пропускания нейтрального газа с использованием метода Монте-Карло для пробных частиц (TPMC) [66]. Этот метод основан на моделировании траекторий нескольких пробных частиц. Коэффициент пропускания определяется отношением количества пробных частиц, покидающих ионный двигатель, к количеству сгенерированных пробных частиц. Частицы генерируются на границе, представляющей плазму. При этом важно использовать статистически равномерно распределенные положения и векторы скорости. Предполагается изотропная скорость нейтральных частиц внутри плазмы. Траектории рассчитываются путем интегрирования уравнения движения и применения зеркального отражения на границах в сторону соседних областей моделирования и явно диффузного отражения при столкновении с сеткой выделения. Плотность нейтрального газа, а также температуры нейтралов, ионов и электронов предполагаются пространственно однородными.
Так же как и в 2D модели предполагается профиль плотности внутри плазмы для электронов и ионов, который рассматривается последовательно в каждой подмодели. Для расчета этого профиля 90 269 h 90 270 параметров, описывающих отношение плотности оболочки к объемной плотности, используются, как описано в Ref. [48]. Параметры h основаны на аналитических уравнениях, справедливых для различных режимов плотности. Мы используем подгоночное уравнение между различными режимами, введенное в [53]. Профиль, уже описанный формулой. (20) был разделен на две части, чтобы лучше справляться с нецилиндрической геометрией. Для этого рассчитывается центр масс ионизационной камеры, который принимается за центр плазмы. Начиная с этой точки расстояние R по направлению к самой удаленной точке в радиальном направлении, расстояние l _p по направлению к самой удаленной точке в положительном осевом направлении и расстояние l _n по направлению к самой удаленной точке в отрицательном осевом направлении. На основе этих расстояний соответствующие ч параметров и вычисляются $\phantom {\dot {i}\!}h _{\mathrm {l}_{\mathrm {n}}}$. Затем профиль рассчитывается с
9{2}} \quad \text{for} \quad l \leq 0 \mathrm{m} \end{aligned} \right. $$
(32)
где l – координата в осевом направлении, где l =0 м в точке расположения центра плазмы, а r – радиальное расстояние от центра плазмы.
Кроме того, обновлена модель проводимости плазмы. В используемой модели электромагнитные поля решаются в 3D. Расчет потерь внутри плазмы производится аналогично уравнениям. (23)–(27), описанные для двумерной модели. Был реализован метод интегрирования, позволяющий моделировать произвольную геометрию. Таким образом, 3D-модель также включает вход газа. Пока P _IZ, P _EX и P _W рассчитываются так же, как и в 2D -модели, мы пренебрегаем с _EI, и используем стр _EI
0 и использование
с _{EI 902. и с использованием с _{EI . м} . Последнее отличие подробно не описывается, так как влияние термина незначительно. Уравнения, используемые для расчета количества генерируемых и потерянных ионов, также одинаковы.}
Решение самосогласованной системы уравнений баланса
Для достижения самосогласованного решения мы используем подход, представленный в Ref. [67] и обновил ее, включив в нее нашу новую модель периферийных устройств, которая описана в следующем подразделе. Соответствующая блок-схема показана на рис. 6.
Рис. 6
Блок-схема трехмерной модели
Полноразмерное изображение
Используя несколько условий, уравнения баланса разделяются, чтобы можно было вычислить три неизвестные величины состояния (плотность нейтрального газа n ₀ , температура электронов T _e и плотность ионов n ₊ в центре плазмы) последовательно. Сначала мы определяем значения уставки. В частности, мы установили температуру нейтрального газа T ₀ и температуру материала T _m на 423K. Кроме того, мы устанавливаем радиочастоту f , напряжение сетки В _доб и геометрию. Затем рассчитывается плотность нейтрального газа так же, как уже упоминалось в разделе «Двумерная осесимметричная модель». В 3D-модели мы итерируем n ₀ до тех пор, пока не будет выполнено уравнение баланса нейтральных частиц (обозначенное как сохранение массы на рис. 6). (32)) не зависит от значения плотности ионов в центре плазмы n ₊. Соответственно, решение уравнения сохранения заряда, т. края плазмы, не зависит от н ₊ . Следовательно, любое значение n ₊ может быть выбрано для решения уравнения для T _e . Это делается путем итерации электронной температуры T _e до тех пор, пока не будет найдено значение, удовлетворяющее уравнению баланса ( Δ I ≈0A).
После получения n ₀ и T _e можно рассчитать пространственную экстракцию ионов с заданным значением н ₊ . Это делается путем повторения значения n ₊ до тех пор, пока смоделированный ток луча I _b не совпадет с током луча, установленным в качестве граничного условия. После этого были получены все государственные количества ( n ₀, T _e и n ₊). С этими значениями рассчитаны потери плазмы P _n, а также пространственная проводимость плазмы $\underline {\kappa}_{\mathrm {p}}$. Последний используется для решателя электромагнитного поля для моделирования импеданса системы двигателя \ (\ underline {Z} _ {\ text {th}} \), который включает сопротивление плазмы Р _р .
With R _p and P _n known, the coil current I _coil is calculated with I _coil =( P _n / R _p ) ^0,5 . Наконец, моделируемые импедансы и катушка I _{используются внутри периферийной модели, в которой входное напряжение постоянного тока В _DC RFG повторяется до тех пор, пока ток моделируемой катушки не совпадет с 9.0269 I} _{катушка} . Тогда известны входная мощность P _DC, входное напряжение V _DC и входной ток I _DC.
Периферийная модель
Используемый радиочастотный генератор (RFG) был разработан в Technische Hochschule Mittelhessen – Университете прикладных наук (THM). Он основан на программируемой пользователем вентильной матрице (FPGA), обрабатывающей цифровой алгоритм управления фазой и частотой, представленный в [31, 68].
Алгоритм используется для генерации управляющего сигнала для полумоста, состоящего из двух GaN MOSFET типа «GS66516T-E02-MR» от производителя GaN Systems, с аппаратной сборкой, показанной в [32]. Прямоугольный выходной сигнал используется для возбуждения резонансного контура, состоящего из индуктивности катушки и резонансной емкости с его резонансной частотой. Чтобы иметь возможность смоделировать коммутационные потери для этой установки, можно использовать более сложный подход, чем тот, который представлен в [1]. [48] было необходимо. Вместо аналитической модели используется имитационное моделирование с помощью LTSpice. Стандартным подходом было бы использование модели SPICE от производителя для описания полевых МОП-транзисторов в LTSpice. Использование этих моделей только для токов и напряжений на интерфейсах подключения полевых МОП-транзисторов; т. е. сток (D), затвор (G) и исток (C) видны в моделировании. Учитывая эту информацию, трудно сделать вывод о внутреннем поведении и связанных с этим потерях. Например, включение МОП-транзистора при подаче напряжения между истоком и стоком приводит к разряду паразитной емкости сток-исток внутри МОП-транзистора. Это приводит к потерям внутри МОП-транзистора, но ответственные токи не проявляются как внешние токи, измеряемые на клеммах. Кроме того, емкость сток-исток GS66516T-E02-MR составляет до 1 нФ, что может привести к значительным токам смещения. В зависимости от топологии их трудно отличить от активного тока из-за нелинейного поведения. Чтобы можно было детально оценить процесс переключения, а также возникающие потери при переключении, необходимо смоделировать внутренние механизмы используемых МОП-транзисторов. Схематическое изображение полевого МОП-транзистора с таким подходом к моделированию приведено на рис. 7.
Рис. 7
Эквивалентная схема используемых МОП-транзисторов
Изображение в полный размер
Значения емкости ) и C _DS (между стоком и истоком) получены из значений в паспорте для C _ISS (малая входная емкость сигнала), C _OSS (малая выходная емкость сигнала) и 9{\prime}_{\text{GS}} $$
(36)
, так что начальный наклон выбранной параболы описывает сопротивление переключения между стоком и истоком R _DS(on) что составляет примерно 40 м Ом . Подгонка выполняется для предполагаемой рабочей температуры перехода 343K со значениями, указанными в техпаспорте (Rev. 161007).
Обратная проводимость моделируется диодом. Полная периферийная модель показана на рис. 8.
Рис. 8
Имитационная модель периферийной системы
Увеличенное изображение
Двухпроводной кабель описывается индуктивностью L _cab =140 нГн и сопротивлением R _·0 = 69,0 мΩ 404000. Линия передачи типа «Belden 9220» длиной 0,15 м описывается моделью Π с входной и выходной емкостью линии передачи Кл _tl =7,6 пФ, ее индуктивностью L _tl и его сопротивление R _tl =7м Ом . Кроме того, резонансная емкость внутри RFG C _res = 2,725 нФ и ее эквивалентное последовательное сопротивление R _esr рассчитывается по тангенсу угла потерь tan( δ )=0,001. Источники напряжения для затворов настраиваются на заданную частоту возбуждения с соответствующими временами задержки.
Экспериментальная проверка
Для проверки представленных глобальных моделей обязательно сравнение с экспериментальными результатами. Значимое сравнение может быть проведено только в том случае, если выполняются несколько требований. Самое главное, чтобы давление в вакуумном резервуаре было достаточно низким, чтобы свести к минимуму обратный поток нейтрали в двигатель. В противном случае этот эффект является источником ошибки при сравнении результатов моделирования и эксперимента.
Экспериментальная установка
Для экспериментов использовалась цилиндрическая вакуумная камера BigMac Evo длиной около 3 м и диаметром 1,6 м. При работе двигателя ксенон в основном откачивается двумя криогенными насосами с общей скоростью откачки 34 000 л 90 269 с 90 270 90 336 -1 90 337 . Поэтому парциальное давление ксенона не превышает 10 ^-4 Па при расходах до 100 мкг с ^-1 . Предполагая равномерное распределение давления внутри бака и принимая проводимость решетки двигателя примерно 5 л с ⁻¹ обратный поток ксенона в двигатель составляет всего около 0,01 мкг с ⁻¹ и, следовательно, пренебрежимо мал. Фактический обратный поток может быть немного выше, так как можно предположить, что давление вдоль оси пучка двигателя немного больше среднего значения. Однако, даже если бы фактический обратный поток был бы на порядок больше, он все равно был бы очень мал по сравнению с потоком, нагнетаемым в разрядный сосуд. Турбомолекулярный насос 2350 л s ⁻¹ номинальная скорость откачки азота используется для откачки и в дальнейшем поддерживает остаточное давление азота и кислорода на приемлемом уровне; поскольку крионасосы не могут постоянно поддерживаться достаточно холодными для откачки этих газов. Давление в вакуумной установке контролируется комбинированным манометром Пирани/холодный катод от Pfeiffer Vacuum.
Подруливающее устройство устанавливается радиально в центре вакуумного резервуара и крепится к фланцу ISO-K-160. Для работы подруливающего устройства используется блок испытательного источника питания (TPS). В состав ТПС входят источники питания для управления ВЧГ, экраном и разгонной сеткой двигателя. Для питания ВЧГ используется «ТДК-Лямбда ГЕНХ-60-12,5». Экран и ускорительные сетки поставляются от источников «FuG MCP 700-2000» и «FuG MCP 35-2000» соответственно. Сеть замедления напрямую связана с заземлением объекта. Используя обычный компьютер, все источники питания, а также регулятор массового расхода типа Bronkhorst «El-Flow Select» с максимальным диапазоном 140 мкг s ⁻¹ ксенон управляются цифровым программным обеспечением на основе LabView. Контроллер тока луча реализован для поддержания постоянного тока, протекающего на сетку экрана. Этот ток регулируется путем настройки входного напряжения RFG. В качестве требования стабильности для каждой точки данных отображения производительности наибольший допустимый дрейф входной мощности RFG составляет 1 % за временной интервал 30 минут. Для выполнения этого условия общее время работы двигателя составляло 6 часов.
Для дальнейшей проверки глобальных моделей ток через катушку отслеживается с помощью датчика Пирсона 2878. Вводимая мощность ВРГ строго монотонно уменьшается с ростом массового расхода. Форма кривой типична для работы такого рода двигателей на инертных газах [48, 69, 70]. Ток через катушку имеет аналогичную зависимость от массового расхода.
Рис. 9
a ) Экспериментально определенное отображение характеристик для тока экранной сетки 30 мА и определенного тока катушки RIT-4. Напряжения, подаваемые на сетки, составляют 1200 В на газовом входе двигателя, таким образом смещая экранную сетку на такое же напряжение, и -150 В на ускорительной сетке. Требуемая входная мощность RFG представлена закрашенными квадратами, а среднеквадратичное значение тока катушки представлено закрашенными кружками. б ) Эффективность РИТ-4. Массовый КПД показан незаштрихованным квадратом, электрический КПД — незаштрихованными кружками
Изображение в полный размер
Масса и электрический КПД, полученные в результате эксперимента, представлены на рис. 9 б) в зависимости от массового расхода. Наибольший полученный массовый КПД η _m , рассчитанный как отношение массового потока ионов, выходящих из двигателя, к массовому потоку, вводимому в двигатель, составляет 71,8 % , наименьший массовый КПД 43,4 % . Еще одним показателем эффективности подруливающего устройства является электрический КПД .η _и . В случае ионного ВЧ-двигателя его обычное определение — это отношение мощности, подаваемой на сетку экрана, к общей входной мощности, необходимой для работы двигателя. Общая мощность в основном определяется суммой входной мощности RFG и мощности, подаваемой на экранную сетку. Другие вклады в общий баланс мощности, такие как мощность, питающая сетку ускорения (≤0,1 Вт), незначительны. В охваченном диапазоне отображения производительности полученный электрический КПД составляет 39..4 % для наименьшего и 48,2 % для наибольшего впрыскиваемого массового расхода.
Сравнение и обсуждение результатов
Кривая производительности, полученная в ходе эксперимента, служит ориентиром для трех глобальных моделей. В таблице 2 перечислены свойства RIT 4, необходимые для воспроизведения результатов нулевой модели.
Таблица 2 Конструктивные параметры RIT4 и дополнительные входные параметры глобальных моделей
Полноразмерная таблица
Сравнение результатов показано на рис. 10. 3D-модель показывает очень хорошее соответствие с экспериментальными данными, как показано на рис. 10 а). Осесимметричная 2D-модель, как и 0D-модель, не учитывают потери в РФГ. Поэтому ожидаются отклонения входной мощности RFG. Сравнивая значения выходной мощности RFG, полученные с помощью трех моделей в одних и тех же рабочих точках, можно увидеть общую тенденцию для всего диапазона отображения характеристик, показанного на рис. 10 b). Двухмерная осесимметричная модель дала наименьшую выходную мощность RFG, в то время как нулевая модель оценила наибольшую выходную мощность. Значения выходной мощности, определенные 3D-моделью, находятся между оценками других моделей. Однако при малых массовых расходах лучше согласуются 3D и 0D модели, тогда как при больших расходах дается лучшее согласие 3D модели с 2D осесимметричной моделью.
Рис. 10
a ) Требуемая входная мощность ВЧГ рассчитана по 3D-модели и определена в эксперименте. b ) Мощность, подаваемая от RFG на катушку двигателя для извлечения 30 мА ионов ксенона, как моделируется тремя глобальными моделями. c ) Среднеквадратичное значение тока, проходящего через катушку двигателя
Полноразмерное изображение
На рис. 10 c) 2D-модель и 3D-модель оценили токи катушки, близкие к фактическому значению, если только массовые потоки не были меньше примерно 65 мкг с ⁻¹ . В этом диапазоне самых низких потоков обе модели немного завышают этот ток. Модель 0D обычно сильно занижает ток, передаваемый катушкой. Вероятная причина — очень упрощенное описание катушки в приближении длинных катушек, что весьма неточно, так как длина катушки меньше ее диаметра. Двухмерная осесимметричная модель описывает катушку как N _{Катушка} параллельных контуров проводника и решает соответствующее ЭМ-поле. Поэтому спиральная структура катушки полностью не рассматривается. Трехмерная модель полностью учитывает спиральную форму катушки и решает связанные электромагнитные поля. Кроме того, предположение об однородном профиле электронной плотности обычно приводит к недооценке ВЧ-тока, передаваемого катушкой, по сравнению с целостным профилем, предполагаемым как трехмерной моделью, так и двумерной осесимметричной моделью [48].
Для того чтобы понять разницу в результатах трех моделей, в качестве первого шага изучается количество энергии, выделяемой в нескольких каналах потерь. Во-первых, потери в разрядном сосуде будут разделены на две категории: во-первых, потери внутри объема плазмы (в основном на возбуждение и ионизацию) и, во-вторых, потери на поглощение ионов и электронов на внутренних стенках разрядного сосуда и сетка экрана. Результаты показаны на рис. 11.
Рис. 11
Мощность, выделяемая в двух основных группах каналов потерь, потери на стенках двигателя и внутри объема плазмы, в зависимости от массового потока, инжектируемого в разрядную камеру, согласно расчетам по трем глобальным моделям. Незакрашенные символы обозначают потери стенок, а полные символы – потери внутри объема плазмы. объем плазмы при малых входных массовых потоках. При увеличении потока возникает точка пересечения, где потери в объеме начинают становиться преобладающими. Однако в то время как для 3D- и 2D-моделей эта точка пересечения наблюдается при массовом расходе 84 мкг с ⁻¹ , в случае модели 0D эта точка уже достигается при массовом расходе 68 мкг с ⁻¹ . В целом, модель 0D, по-видимому, завышает потери в объеме плазмы. Двумерная модель оценила наименьшие потери во всем диапазоне моделирования, как для потерь в объеме плазмы, так и для потерь на стенках двигателя. Чтобы лучше понять это поведение, необходимо также рассмотреть параметры плазмы и более подробно изучить потери внутри плазменного объема.
Расчетные параметры плазмы представлены на рис. 12. Увеличение массового расхода приводит к увеличению как нейтральной, так и электронной концентрации и уменьшению электронной температуры. Нейтральная плотность составляет порядка нескольких 10 ¹⁹ м ⁻³ , тогда как электронная плотность меньше примерно на два порядка. Температура электронов в несколько электрон-вольт типична для индуктивно-связанных низкотемпературных разрядов [12]. Нейтральная плотность показывает очень хорошее согласие между всеми моделями во всем диапазоне исследованных массовых потоков. Электронная температура, оцененная по 0D-модели, значительно ниже по сравнению с 2D-осесимметричной и 3D-моделью; которые оба находятся в очень хорошем согласии. Мы предполагаем, что это несоответствие вызвано различием в предполагаемых профилях электронной плотности, как это подробно обсуждалось Reeh et al. в недавней публикации [48]. Концентрация электронов в радиальном центре разряда очень похожа для 3D-модели и 0D-модели. Средняя концентрация электронов, оцененная по 0D-модели, существенно больше. Для массового расхода 75 мкг с ⁻¹ средняя концентрация электронов, определенная из профиля электронной концентрации, рассчитанного по трехмерной модели, составляет около 82 % от значения в центре разряда. Причина небольшого расхождения электронной плотности между 2D-осесимметричной и 3D-моделью пока неизвестна. Возможной причиной является использование другой базы данных поперечных сечений. Радиальный профиль электронной концентрации, определяемый по 2D осесимметричной и 3D модели, идентичен, как показано на вставке рис. 12 а).
Рис. 12
Параметры плазмы, рассчитанные по трем моделям: a ) Плотность нейтрального газа n ₀ и объемная концентрация электронов n ₊ в центре разряда в зависимости от инжектируемого массовый расход и b ) энергия электронов k _B T _e / e . В то время как плотность электронов, определяемая по 0D-модели, предполагается радиально-однородной, как для 2D-, так и для 3D-модели профиль электронной концентрации максимален в центре разряда, как показано на вставке 9.0003
Изображение в полный размер
Если рассматривать пространственно усредненную электронную плотность, 0D-модель оценивает большую электронную плотность по сравнению с обеими другими моделями. Этим можно частично объяснить большие расчетные потери в объеме плазмы, поскольку все потери в объеме разряда пропорциональны произведению электронной плотности на плотность нейтралов.
На рисунке 13 показана мощность, используемая для ионизации ксенона для достижения заданного тока экрана 30 мА, и мощность, которая теряется из-за возбуждения нейтральных атомов. Мощность, необходимая для ионизации, практически не зависит от используемого массового расхода. Мощность, затрачиваемая на ионизацию, одинакова для всех моделей, хотя модель 0D оценивала немного большую мощность, примерно 1–1,5 Вт. Как показывают все модели, мощность, теряемая из-за возбуждения, возрастает с увеличением массового расхода. Однако абсолютные значения, определенные моделями, расходятся со значительным отрывом.
Рис. 13
Потери мощности из-за возбуждения (полные символы) и ионизации (пустые символы) в зависимости от массового расхода, рассчитанного по трем глобальным моделям
Изображение в натуральную величину , около 94 мкг 90 269 с 90 270 90 336 -1 90 337 , разница составляет примерно 4 Вт между 0D и 2D- и 3D-моделями. При меньших расходах и, следовательно, меньших плотностях нейтрального газа расхождение становится несколько менее выраженным, но не исчезает. Различие можно объяснить разными средними электронными концентрациями и электронными температурами. Небольшую разницу потерь на возбуждение по 2D- и 3D-моделям можно объяснить исключительно разницей в оценке электронной плотности, поскольку температура электронов и, следовательно, коэффициент скорости возбуждения одинаковы.
Во второй серии симуляций ток извлеченного пучка варьировался при сохранении постоянной плотности нейтрального газа. Для поддержания постоянной плотности нейтрального газа при увеличении тока пучка инжектируемый массовый расход увеличивается на столько же, сколько эквивалентный дополнительный массовый расход, выходящий из разрядной камеры через отверстия решетки экрана. Для однозарядных ионов ксенона ток 1 мА эквивалентен массовому потоку 1,36 мкг 90 269 с 90 270 90 336 -1 90 337 . При наименьшем токе пучка 10 мА массовый расход 24,4 мкг с ⁻¹. Преимущество поддержания постоянной плотности нейтрального газа состоит в том, что температура электронов также остается постоянной.
Это дает довольно простую ситуацию, облегчающую обсуждение соотношения тока пучка I _b и коэффициента пропускания ионов β _i . Поскольку температура электронов и плотность нейтрального газа практически фиксированы, ток пучка зависит исключительно от β _i и плотности электронов на краю слоя. Моделирование проводилось для токов в диапазоне от 10 мА до 32,5 мА, результаты представлены на рис. 14.
Рис. 14
a ) Коэффициент пропускания ионов и b ) Объемная электронная плотность плазмы в радиальном центре разряда как функция тока пучка, рассчитанная по трем глобальным моделям. Приложенные потенциалы составляют 1200 В на сетку экрана и -150 В на сетку ускорения. ток, проходящий через сетку экрана, потому что большие токи сетки возникают, когда ионы сталкиваются с сетками ускорения или замедления из-за расстройки ионной оптики. Расстройка происходит потому, что мениск плазмы зависит от параметров плазмы. Таких рабочих точек следует избегать при работе этих подруливающих устройств, и поэтому они представляют меньший интерес. Как показано на рис. 14, увеличение тока пучка приводит к увеличению необходимой электронной плотности, в то время как коэффициент пропускания ионов уменьшается. Усредненные коэффициенты пропускания, рассчитанные по всем глобальным моделям, и их соответствующее моделирование ионной оптики показывают ту же тенденцию. Коэффициент пропускания ионов β _i уменьшается с увеличением тока пучка. Однако, особенно для токов пучка 25 мА и выше, значения, полученные тремя моделями, значительно различаются. Различие между 0D-моделью и двумя другими моделями можно объяснить разными параметрами плазмы, возникающими из-за допущений модели в одних и тех же рабочих точках, как электронной температуры, так и средней электронной плотности.
Температура электронов практически постоянна для каждой модели. Значения 6,5 эВ для 2D- и 3D-моделей хорошо согласуются, тогда как электронная температура, рассчитанная по 0D-модели, значительно ниже примерно на 0,8 эВ.
Напротив, электронная плотность, рассчитанная с помощью 0D-модели и 3D-модели, очень хорошо согласуется на рис. 14b), в то время как полученная с помощью 2D-модели несколько ниже. Однако следует иметь в виду, что на график наносится концентрация электронов в центре радиала, а не среднее значение, которое для 3D-модели существенно меньше.
Причины несоответствия коэффициентов пропускания ионов β _и 2D осесимметричной и 3D модели еще недостаточно изучены. В то время как расчетный коэффициент пропускания ионов больше для 2D-аксиально-симметричной модели, электронная плотность, рассчитанная по 3D-модели, больше практически на один и тот же коэффициент в каждой рабочей точке. Поэтому произведение n ₊ и β _i одинаковы для обеих моделей, что дает одинаковый ток пучка, поскольку температура электронов практически одинакова, как показано ранее при анализе отображения характеристик.
Время вычислений Важной особенностью глобальных моделей является довольно короткое время вычислений, необходимое для моделирования кривой производительности. Используя модель 0D, показанную кривую производительности можно рассчитать менее чем за полчаса, включая моделирование ионной оптики, которое требует большей части вычислительного времени. Если рассчитать отображение производительности с использованием постоянного коэффициента пропускания ионов, необходимое время составит всего 15 с. Однако для получения требуемого коэффициента пропускания ионов при желаемом токе, выходящем из разряда, сначала требуется моделирование в течение нескольких минут. Время моделирования было достигнуто с помощью офисного компьютера с 16 ГБ ОЗУ и процессором Intel 9.0336 Ⓒ шестиядерный процессор i5 девятого поколения. Несмотря на использование процессора с шестью ядрами, большинство вычислений выполняется с использованием только одного ядра. Двухмерная осесимметричная модель и трехмерная модель требуют от нескольких часов до одного дня для моделирования ионной оптики в качестве основы для моделирования отображения производительности. Исчерпывающий анализ ионной оптики в широком диапазоне плотностей ионов, температур электронов и, следовательно, токов пучка может потребовать времени моделирования от нескольких дней до нескольких недель. Оставшееся время расчета для отображения производительности сравнительно короткое, для показанных результатов около одного часа. Более длительное время моделирования по сравнению с 0D-моделью в основном вызвано необходимостью времени для моделирования электромагнитных полей. Определение коэффициента передачи нейтрального газа с помощью SPARTA требует всего несколько десятков минут и должно выполняться только один раз для данной энергосистемы. Аппаратное обеспечение, используемое для моделирования двухмерной осесимметричной модели, содержит довольно современный процессор Intel 9.0336 Ⓒ Четырехъядерный процессор i7 с 16 ГБ ОЗУ. Четыре ядра не используются параллельно для всех подмоделей, частично используется только одно ядро. Моделирование 3D-модели выполнялось на рабочей станции с двумя 8-ядерными/16-поточными ЦП (Intel ^Ⓒ Xeon E5-2650) с 256 ГБ ОЗУ. Что касается моделирования ионной оптики, то интегрирование траекторий с процессом сбора, а также решение электрического поля моделируются параллельно на 32 потоках, в то время как остальные задачи, такие как рассеяние, реализуются на одном потоке. Все дальнейшие расчеты остальных подмоделей выполняются на одном ядре.
Заключение
Все представленные глобальные модели обеспечивают как минимум удовлетворительное предсказание кривой производительности RIT-4. В частности, 3D-модель может очень точно предсказать необходимую мощность радиочастотного генератора для работы РИТ-4. Однако, в отличие от двухмерной осесимметричной модели и трехмерной модели, нулевая модель не может с достаточной точностью предсказать ток катушек. Мы предполагаем, что это вызвано как предположением о длинном витке, так и используемым профилем электронной концентрации. Должны быть проведены дальнейшие исследования по этому вопросу. Рассчитанные параметры и потери плазмы показывают качественно ожидаемые тренды во всех моделях. Плотность нейтрального газа во всех моделях определяется одинаково. Электронная температура показывает очень хорошее согласие между двумя из трех моделей. Отклонение третьей модели, 0D-модели, подтверждает влияние профиля электронной плотности на определение электронной температуры, предсказанное Reeh et al. [48]. Однако имеются значительные различия в определяемых электронных плотностях, причина которых известна лишь частично. Отмеченные выше отклонения параметров плазмы отражаются в различном распределении потерь мощности, например, на поглощение ионов и электронов стенками разрядного сосуда или на возбуждение электронных состояний атома ксенона. Во втором сравнении менялся ток луча. Результаты подтвердили различия параметров плазмы. Показано, что расхождение расчетной электронной плотности между 2D-аксиально-симметричной и 3D-моделью может быть напрямую связано с разными определенными коэффициентами пропускания ионов. Однако причина, вызывающая различия, пока не ясна.
Будущая деятельность должна, среди прочего, быть направлена на более точное сравнение моделирования и эксперимента. Особое значение имеет измерение радиального распределения электронной плотности; поскольку в контексте данной публикации было ясно показано влияние на различные каналы рассеивания мощности в разрядном сосуде. Кроме того, дальнейшая оптимизация моделирования ионной оптики во время выполнения представляется существенной, поскольку в каждой из представленных моделей на них приходится наибольшая часть общего времени вычислений. Все модели уже способны предоставить полезную информацию для будущей разработки двигателей, по крайней мере, на качественном уровне, и должны иметь возможность значительно ускорить процесс разработки. Хотя этим моделям может не хватать точности для описания деталей микроскопических процессов в разряде, они могут точно рассчитать величины, необходимые для описания работы двигателя. Следовательно, глобальные модели являются отличным компромиссом очень точного, но трудоемкого описания плазмы с помощью подхода PIC-MCC и очень быстрых, но часто очень неточных аналитических приближений. Однако для подтверждения и обеспечения прогностической способности таких моделей требуются дальнейшие проверки.
Доступность данных и материалов
Наборы данных, использованные и/или проанализированные в ходе текущего исследования, можно получить у соответствующего автора по обоснованному запросу.
Сокращения
EP:
Электродвигатель космического корабля
GSK:
Удержание геостационарных/геосинхронных станций
EOR:
Электрический орбитальный подъем
ГТО:
Геостационарная эллиптическая переходная орбита
Лев:
Низкая околоземная орбита
НЕТ:
Двигатель на эффекте Холла
GIE:
Ионный двигатель с сеткой
CEX:
Коллизии при обмене зарядами
ИКП:
Индуктивно-связанная плазма
ЭБС:
Обратный поток электронов
РФГ:
Радиочастотный генератор
ПОС:
Частица в клетке
ЦУП:
Монте-Карло-Столкновения
ОДЕ:
Обыкновенное дифференциальное уравнение
СПАРТА:
Стохастический параллельный анализатор разреженного газа с точностью во времени
DSMC:
Прямое моделирование Монте-Карло
НИСТ:
Национальный институт науки и технологий
TPMC:
Тестовая частица Монте-Карло
ТГМ:
Высшая техническая школа Миттельгессена
ПЛИС:
Программируемая пользователем вентильная матрица
МОП-транзистор:
Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник
ТПС:
Проверка блока питания.
Каталожные номера
1. Хольсте К., Дитц П., Шарманн С., Кейл К., Хеннинг Т., Зшеч Д., Рейтемейер М., Наушютт Б., Кифер Ф., Кунце Ф., Цорн Дж., Хейлигер К., Джоши Н., Пробст Ю., Тюрингер Р., Фолькмар С., Пакан Д., Петершмитт С., Бринкманн К.Т., Зауник Х.Г., Тома М.Х., Кречмер М., Лейтер Х.Дж., Шипперс С., Ханнеманн К., Клар П.Дж. Ионные двигатели для электрических двигателей: Научные проблемы, превращающие нишевую технологию в революционную технологию. Преподобный Научный Инструм. 2020; 91(6):061101. https://doi.org/10.1063/5.0010134.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
2. Дэвис Дж.П., Мэйберри Дж.П., Пенн Дж.П. Снижение затрат и топливная эффективность: мощные солнечные электрические двигатели в космосе. Технический отчет. Аэрокосмическая корпорация. 2018. https://aerospace.org/sites/default/files/2018-11/Davis-Mayberry_HPSEP_11212018. pdf. По состоянию на 8 июня 2021 г.
  Google ученый
3. Mazouffre S. Электрические двигатели для спутников и космических аппаратов: устоявшиеся технологии и новые подходы. Источники плазмы Sci Techn. 2016; 25(3):033002. https://doi.org/10.1088/0963-0252/25/3/033002.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
4. Лев Д., Майерс Р.М., Леммер К.М., Колбек Дж., Коидзуми Х., Ползин К. Технологическое и коммерческое расширение электрических двигателей. Акта Астронавт. 2019; 159: 213–27. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.03.058.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
5. Журин В., Поротников А., Шадов В. Исследования и разработки в области электродвижения в СССР. В: 12-я Международная конференция по электродвигателям. Ки-Бискейн: Американский институт аэронавтики и астронавтики: 1976 г. https://doi.org/10.2514/6.1976-1073.
  Google ученый
6. Брофи Дж., Кац И., Полк Дж.Э., Андерсон Дж.Р. Численное моделирование эрозии сетки ускорителя ионных двигателей. В: Материалы 38-й конференции AIAA/ASME/SAE/ASEE по совместной силовой установке. Индианаполис: AiAA (Американский институт аэронавтики и астронавтики): 2002.
  Google ученый
7. Генрих Р., Хейлигер К. Трехмерное моделирование микроньютоновских РИТ. В: Материалы 33-й Международной конференции по электродвигателям. Вашингтон, округ Колумбия: ERPS (Общество электрических ракетных двигателей): 2013.
  Google ученый
8. Грондейн П., Лафлер Т., Чаберт П., Анесланд А. Глобальная модель плазменного двигателя с йодной сеткой. Физ плазма. 2016; 23(3):033514. https://doi.org/10.1063/1.4944882.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
9. Роберсон Г. , Роберто М., Вербонкёр Дж., Вердонк П. Моделирование глобальной модели кислородных разрядов низкого давления. Braz J Phys. 2007 г.; 37 (2а): 457–65. https://doi.org/10.1590/s0103-97332007000300019.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
10. Аанесланд А., Рафальский Д., Бредин Дж., Грондейн П., Удини Н., Шаберт П., Левко Д., Гарриг Л., Хагелаар Г. Характеристики и прогнозы ионно-ионного двигателя с сеткой PEGASES. IEEE транс. Плазменные науки. 2015 г.; 43(1):321–326. https://doi.org/10.1109/tps.2014.2369534.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
11. Loeb H. Ein elektrostatisches Raketentriebwerk mit Hochfrequenzionenquelle. Астронавтика Акта. 1961 год; 8:50–62.
  Google ученый
12. Либерман М.А., Лихтенберг А.Я. Принципы плазменных разрядов и обработки материалов, 2-е изд. Хобокен, Нью-Джерси, США: Wiley-Interscience; 2005.
  Книга
  Google ученый
13. Чаберт П., Брейтуэйт Н. Физика радиочастотной плазмы. Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета; 2011.
  Книга
  Google ученый
14. Хопвуд Дж. Обзор индуктивно-связанной плазмы для плазменной обработки. Источники плазмы Sci Techn. 1992 год; 1:109–16.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
15. Гудмундссон Дж.Т., Либерман М.А. Магнитная индукция и импеданс плазмы в цилиндрическом индукционном разряде. Источники плазмы Sci Techn. 1997; 6: 540–50.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
16. Вахеди В., Либерман М.А., ДиПесо Г., Рогнлиен Т.Д., Хьюитт Д. Аналитическая модель энерговыделения в индуктивно-связанных источниках плазмы. J Appl Phys. 1995 год; 78 (3): 1446–1458. https://doi.org/10.1063/1.360723.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
17. Хаяши М. Определение сечений полного электрон-ксенонового возбуждения от порога до 100 эВ по экспериментальным значениям Таунсенда α . J Phys D: Appl Phys. 1983 год; 16: 581–9.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
18. Годяк В.А., Пежак Р.Б., Александрович Б.М. Электрические характеристики и механизм нагрева электронов индуктивно-связанного аргонового разряда. Источники плазмы Sci Techn. 1994 год; 3:169–7.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
19. Пеяк Р.Б., Годяк В.А., Александрович Б.М. Простой анализ индуктивного ВЧ-разряда. Источники плазмы Sci Techn. 1992; 1: 179–86.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
20. Чен Ф. Ф. Введение в физику плазмы и управляемый синтез. Швейцария: Спрингер; 2016. https://doi.org/10.1007/978-3-319-22309-4.
  Книга
  Google ученый
21. Джексон Дж.Дж. Классическая электродинамика. Хобокен, Нью-Джерси, США: Wiley; 1998.
  МАТЕМАТИКА
  Google ученый
22. Гебель Д., Кац И. Основы электрического двигателя: ионные и холловские двигатели. Хобокен, Нью-Джерси, США: Wiley; 2008.
  Книга
  Google ученый
23. Грох К.Х., Леб Х.В. Источники радиочастотных ионов для космических двигателей (приглашаются). Преподобный Научный Инструм. 1992 год; 63 (4): 2513–8. https://doi.org/10.1063/1.1142875.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
24. Астон Джи, Уилбур П.Дж. Экстракция ионов из плазмы. J Appl Phys. 1981 год; 52(4):2614–26. https://doi.org/10.1063/1.329071.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
25. Астон Г., Кауфман Х.Р., Уилбур П.Дж. Характеристики расходимости ионных пучков двухрешеточных ускорительных систем. Журнал АИАА. 1978 год; 16(5):516–24.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
26. Кауфман Отдел кадров. Ускорительные системы для источников ионов с широким пучком. Журнал АИАА. 1977; 15 (7): 1025–34.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
27. Уилтон Дж.Х. Извлечение ионов и оптическая арифметика. Nucl Inst Methods Phys Res. 1981 год; 189: 55–70.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
28. Уилтон Дж. Х., Уитсон Дж. К. Оптика ионов с объемным зарядом, включая экстракцию из плазмы. Ускорители деталей. 1979 год; 10: 235–51.
  Google ученый
29. Уилтон Дж.Х., Джагер Э.Ф., Уитсон Дж.К. Оптика однокаскадных пучков ускоренных ионов, выводимых из плазмы. Преподобный Научный Инструм. 1977 год; 48(7):829–31. https://doi.org/10.1063/1.1135165.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
30. Уилтон Дж. Х., Джагер Э. Ф., Уитсон Дж. К. Оптика пучков ионов произвольной проводимости, извлеченных из плазмы. J Вычислительная физика. 1978 год; 27:32–41.
  МАТЕМАТИКА
  Статья
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
31. Саймон Дж., Пробст У., Клар П.Дж. Разработка радиочастотного генератора для радиочастотных ионных двигателей. Trans Jpn Soc Aeronaut Space Sci, космическая техника Jpn. 2016; 14 (ист30): 33–9.
  Google ученый
32. Юнкер Дж. Э., Пробст У., Клар П. Дж. Разработка полномостового последовательного резонансного радиочастотного генератора для оптимизированной работы РИТ. В: Материалы 36-й Международной конференции по электродвигателям. Вена, Австрия: ERPS (Общество электрических ракетных двигателей): 2019 г..
  Google ученый
33. Ли К., Либерман М.А. Глобальная модель плазменных разрядов высокой плотности Ar, O2, Cl2 и Ar/O2. J Vac Sci Technol A: Vac Surf Films. 1995 год; 13(2):368–80. https://doi.org/10.1116/1.579366.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
34. Цвет MF. Программное обеспечение для проектирования высокочастотных ионных двигателей на основе численного моделирования. В: Материалы 3-й Международной конференции по движению космических аппаратов. Канны: ЕКА (Европейское космическое агентство): 2000. с. 419–22.
  Google ученый
35. Цай М. М., Мартинес-Санчес М. Простое моделирование характеристик радиочастотного ионного двигателя. В: Материалы 30-й Международной конференции по электродвигателям. Флоренция: ERPS (Общество электрических ракетных двигателей): 2007. с. 2007–72.
  Google ученый
36. Чаберт П., Монреаль Дж.А., Бредин Дж., Попелье Л., Аанесланд А. Глобальная модель ионного двигателя с сеткой, работающего от радиочастотной индукционной катушки. Физ плазма. 2012 г.; 19(7):073512. https://doi.org/10.1063/1.4737114.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
37. Канев С.В., Хартов С.А., Нигматзянов В.В. Аналитическая модель радиочастотного ионного двигателя. Procedia англ. 2017; 185:31–8. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.03.287.
  Артикул
  Google ученый
38. Фам К.Т.Д., Шин Дж. Лучшее предсказание характеристик радиочастотного ионного двигателя. J Korean Phys Soc. 2020; 76 (2): 137–44. https://doi.org/10.3938/jkps.76.137.
  Артикул
  Google ученый
39. Добкевичюс М., Фейли Д. Совместная модель характеристик и тепловых характеристик для радиочастотных ионных двигателей с сеткой. Европейская физика JD. 2016; 70 (11): 227–40. https://doi.org/10.1140/epjd/e2016-70273-7.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
40. Добкевичюс М., Фейли Д. Мультифизическая модель для работы ионного двигателя с радиочастотной сеткой. J Propuls Power. 2017; 33(4):939–53. https://doi.org/10.2514/1.B36182.
  Артикул
  Google ученый
41. Volkmar C, Geile C, Hannemann K. Радиочастотные ионные двигатели – измерение мощности и моделирование распределения мощности. J Propuls Power. 2018; 34 (4): 1061–9. https://doi.org/10.2514/1.B36868.
  Артикул
  Google ученый
42. Люкен Р., Крус В., Лафлер Т., Раймбо Дж.Л., Бурдон А., Чаберт П. Соотношение плотности плазмы между краями и центром в двумерных плазменных разрядах. Источники плазмы Sci Techn. 2018; 27(3):035004. https://doi.org/10.1088/1361-6595/аааф61.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
43. Туркоз Э., Челик М. 2-D электромагнитные и жидкостные модели для индуктивно-связанной плазмы для оценки производительности РЧ-ионного двигателя. IEEE Trans Plasma Sci. 2014; 42(1):235–40. https://doi.org/10.1109/TPS.2013.2287903.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
44. Туркоз Э., Челик М. ЭФИР: Платформа моделирования индуктивно-связанной плазмы. J Вычислительная физика. 2015 г.; 286:87–102. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2015.01.027.
  МАТЕМАТИКА
  Статья
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
45. Бойд И.Д., Гилдер Д.Б.В., Лю Х. Моделирование методом Монте-Карло нейтральных потоков ксенона в электрических силовых установках. J Propuls Power. 1998 год; 14(6):1009–15.
  Артикул
  Google ученый
46. Такао Ю., Эригути К., Оно К. Двумерное моделирование частиц в ячейках микрорадиочастотного ионного двигателя. В: Материалы 32-й Международной конференции по электродвигателям. Висбаден: ERPS (Общество электрических ракетных двигателей): 2011.
  Google ученый
47. Фолькмар С., Риклефс У. Внедрение и проверка гибридной модели производительности и импеданса радиочастотных ионных двигателей с сеткой. Европейская физика JD. 2015; 69 (227): 227–43. https://doi.org/10.1140/epjd/e2015-60380-4.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
48. Рих А., Пробст У., Клар П.Дж. Глобальная модель радиочастотного ионного двигателя, основанная на целостном анализе профилей электронной и ионной плотности. Европейская физика JD. 2019; 73 (232): 232–52. https://doi.org/10.1140/epjd/e2019-100002-3.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
49. Becker R, Herrmannsfeldt WB. Программа IGUN-A для моделирования извлечения положительных ионов, включая магнитные поля. Преподобный Научный Инструм. 1992 год; 63 (4): 2756–8. https://doi.org/10.1063/1.1142795.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
50. программа ФОРТРАН. МАГБОЛЬЦ, С.Ф. Бьяджи, версия 8. 97, база данных Бьяджи. 2021 https://nl.lxcat.net/contributors/#d6. По состоянию на 8 мая 2021 г.
  Google ученый
51. Хаяши М. Библиография сечений электронов и фотонов с атомами и молекулами, опубликованная в 20 ^-м-м веке -Xenon-NIFS-DATA-079. Технический отчет. Национальный институт термоядерной науки. 2003. https://www.nifs.ac.jp/report/nifs-data079.htm. По состоянию на 8 июня 2021 г.
  Google ученый
52. В: Jousten K, (ed).Wutz Handbuch Vakuumtechnik, 11edn. Висбаден: Vieweg+Teubner Verlag; 2012. https://doi.org/10.1007/978-3-8348-1745-7.
  Google ученый
53. Годяк В.А. Советские исследования радиочастотного разряда. Окланд: Delphic Associates; 1986.
  Google ученый
54. Хокни Р.В., Иствуд Дж.В. Компьютерное моделирование с использованием частиц. Бристоль, Великобритания: А. Хильгер; 1988.
  МАТЕМАТИКА
  Книга
  Google ученый
55. Бердсолл СК. Моделирование заряженных частиц «частица в ячейке», плюс столкновения методом Монте-Карло с нейтральными атомами, PIC-MCC. IEEE Trans Plasma Sci. 1991 год; 19(2):65–85.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
56. Берд Г.А. Молекулярная газовая динамика и прямое моделирование газовых течений. Нью-Йорк, США: издательство Оксфордского университета; 1994.
  Google ученый
57. Берд Г.А. Метод ДСМЦ. Южная Каролина, США: CreateSpace; 2013.
  Google ученый
58. Гебель DM. Аналитическая модель разряда для высокочастотных ионных двигателей. IEEE Trans Plasma Sci. 2008 г.; 36 (5): 2111–21. https://doi.org/10.1109/TPS. 2008.2004232.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
59. Desai PD, Chu TK, James HM, Y. HC. Удельное электрическое сопротивление выбранных элементов. J Phys Chem Ref Data. 1984 год; 13(4):1069–96.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
60. Кальвас Т., Тарвайнен О., Роппонен Т., Стечкевич О., Эрье Дж., Кларк Х. IBSIMU: Программное обеспечение для трехмерного моделирования оптики заряженных частиц. Преподобный Научный Инструм. 2010 г.; 81 (2): 02–703. https://doi.org/10.1063/1.3258608.
  Артикул
  Google ученый
61. Ри А., Пробст У., Клар П.Дж. Трехмерный код извлечения ионов последовательно включен в числовую модель радиочастотного ионного двигателя. В: Материалы 35-й Международной конференции по электродвигателям. Атланта: ERPS (Общество электрических ракетных двигателей): 2017.
  .
  Google ученый
62. Пэн Х, Кифер Д, Руйтен ВМ. Моделирование плазменных частиц электростатических ионных двигателей. J Propuls Power. 1992 год; 8(2):361–366.
  Артикул
  Google ученый
63. Bond RA, Latham PM. Проектирование и моделирование системы извлечения с использованием компьютерных кодов. В: Материалы 23-й Международной конференции по электрическим двигателям AIAA/AIDAA/DGLR/JSASS. Сиэтл: ERPS (Общество электрических ракетных двигателей): 1993. с. 1644–54.
  Google ученый
64. Араки С.Дж., Вирц Р.Э. Алгоритм взвешивания частиц с центром в ячейке для моделирования PIC в неоднородной двумерной осесимметричной сетке. J Вычислительная физика. 2014; 272: 218–26. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2014.04.037.
  MathSciNet
  МАТЕМАТИКА
  Статья
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
65. Бриеда Л. Моделирование плазмы на примере. Бока-Ратон, Флорида, США: CRC Press, Taylor & Francis Group; 2019.
  Книга
  Google ученый
66. В: Jousten K, (ed).Wutz Handbuch Vakuumtechnik, 8edn. Висбаден: Vieweg+Teubner Verlag; 2004, с. 827.
  Google ученый
67. Рих А., Пробст У., Клар П.Дж. Элегантный подход к решению законов сохранения в глобальном моделировании радиочастотных ионных двигателей. В: Материалы 36-й Международной конференции по электродвигателям. Вена: ERPS (Общество электрических ракетных двигателей): 2019.
  Google ученый
68. Simon J. Entwicklung und Aufbau eines Radiofrequenzgenerators zur Versorgung und Elektrischen Charakterisierung induktiv-gekoppelter Plasmen in Radiofrequenz-Ionentriebwerken. Кандидатская диссертация. Гиссенский университет Юстуса-Либиха. 2016. http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2017/12283/.
  Google ученый
69. Хольсте К., Гертнер В., Зшеч Д., Шарманн С., Кёлер П., Дитц П., Клар П.Дж. Характеристики радиочастотного ионного двигателя, работающего на йоде. Европейская физика JD. 2018; 72(1):9. https://doi.org/10.1140/epjd/e2017-80498-5.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
70. Дитц П., Гертнер В., Кох К., Кёлер П.Е., Тенг И., Шрайнер П.Р., Холсте К., Клар П.Дж. Молекулярные топлива для ионных двигателей. Источники плазмы Sci Techn. 2019; 28(8):084001. https://doi.org/10.1088/1361-6595/ab2c6c.
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google ученый
Ссылки на скачивание
Благодарности
Выражаем благодарность за европейское региональное финансирование в рамках схемы EFRE земли Гессен.
Финансирование
Финансирование открытого доступа организовано и организовано Projekt DEAL.
Информация об авторе
Авторы и организации
1. Институт экспериментальной физики I, Университет Юстуса Либиха, Heinrich-Buff-Ring 16, Giessen, 35392, Германия
  Патрик Дитц, Константин Кейл, Кристоф Холсте и Питер Дж. Клар
2. Центр компетенций и технологий в области нанотехнологий Photonics (NanoP) — Рабочая группа по космической электронике, Университет прикладных наук, Wiesenstrasse 14, Giessen, 35390, Германия
  Андреас Ри, Уве Пробст и Крис Фолькмар
Авторы
1. Патрик Дитц
  Просмотр публикаций автора
  Вы также можете искать этого автора в
  PubMed Google Scholar
2. Andreas Reeh
  Просмотр публикаций автора
  Вы также можете искать этого автора в
  PubMed Google Scholar
3. Константин Кейл
  Просмотр публикаций автора
  Вы также можете искать этого автора в
  PubMed Google Scholar
4. Kristof Holste
  Просмотр публикаций автора
  Вы также можете искать этого автора в
  PubMed Google Scholar
5. Uwe Probst
  Посмотреть публикации автора
  Вы также можете искать этого автора в
  PubMed Google Scholar
6. Peter J. Klar
  Просмотр публикаций автора
  Вы также можете искать этого автора в
  PubMed Google Scholar
7. Крис Фолькмар
  Просмотр публикаций автора
  Вы также можете искать этого автора в
  PubMed Google Scholar
Вклады
П. Дитц провел эксперименты, написал разделы об экспериментах, результатах, полученных с помощью моделирования, подготовил большинство рисунков и написал раздел, посвященный резюме и прогнозам. А. Рих внес свой вклад, выполнив моделирование трехмерной модели и написав раздел о связанной модели, а также связанной с ней модели RFG. К. Кейл внес свой вклад, выполнив моделирование с помощью модели 0D и написав соответствующий раздел. К. Холсте смоделировал прозрачность нейтрального газа с помощью COMSOL, который был использован для подтверждения нейтрального коэффициента пропускания, рассчитанного с помощью SPARTA. C. Volkmar выполнил моделирование с помощью 2D-аксиально-симметричной модели и написал введение к этой рукописи, а также раздел 2D-аксиально-симметричной модели. П. Дж. Клар и У. Пробст руководили деятельностью. Все авторы внесли свой вклад, обсудив полученные результаты и улучшив рукопись этой статьи. Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
Автор, ответственный за переписку
Переписка с
Патрик Дитц.
Декларация этики
Одобрение этики и согласие на участие
Неприменимо.
Согласие на публикацию
Все авторы согласны с публикацией статьи.
Конкурирующие интересы
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.
Дополнительная информация
Примечание издателя
Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и институциональной принадлежности.
Права и разрешения
лицензиат Springer от имени EPJ. Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете автора(ов) оригинала и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons на статью, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или превышает разрешенное использование, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
Перепечатки и разрешения
Об этой статье
ООН уничтожает любые планы по использованию ртути в качестве ракетного топлива
Недавнее постановление Организации Объединенных Наций запрещает использование ртути в ракетном топливе для космических кораблей. Хотя ни одна частная компания на самом деле не использовала ртутное топливо в запускаемых космических кораблях, вероятность того, что запрет был введен всего через несколько лет после того, как один американский стартап начал играть с этой идеей, была достаточно тревожной — и опасность была достаточно чрезвычайной. Если бы компания реализовала свое намерение продать двигатели на ртутном топливе некоторым компаниям, создающим массивные спутниковые группировки в ближайшее десятилетие, это привело бы к тому, что верхние слои атмосферы Земли были бы насыщены ртутью.
Ртуть является нейротоксином. Он также является биоаккумулятивным, что означает, что он поглощается организмом с большей скоростью, чем организм может его удалить. Самый распространенный способ отравления ртутью — употребление в пищу зараженных морепродуктов. «Это довольно неприятно», — говорит Майкл Бендер, международный координатор Рабочей группы по нулевому ртути (ZMWG). «Именно поэтому это один из очень немногих случаев, когда правительства мира собрались практически единогласно и ратифицировали договор».
Бендер имеет в виду Минаматскую конвенцию о ртути 2013 года, договор ООН, названный в честь города в Японии, жители которого десятилетиями страдали от отравления ртутью на близлежащем химическом заводе. Поскольку ртутные загрязнители легко попадают в океаны и атмосферу, для одной страны практически невозможно предотвратить отравление ртутью в пределах своих границ. «Ртуть — это межконтинентальный загрязнитель, — говорит Бендер. «Поэтому требовался глобальный договор».
На сегодняшний день единственными оставшимися разрешенными видами использования ртути являются флуоресцентное освещение и стоматологические амальгамы, и даже они постепенно сокращаются. В противном случае ртуть встречается как побочный продукт других процессов, таких как сжигание угля. Но затем компании пришла в голову идея использовать его в качестве топлива для космических кораблей.
В 2018 году сотрудник Apollo Fusion обратился в некоммерческую организацию «Государственные служащие за экологическую ответственность» (PEER), которая расследует экологические правонарушения в США. Сотрудник, который остался анонимным, утверждал, что космический стартап из Маунтин-Вью, штат Калифорния, планировал построить и продать двигатели, использующие ртутное топливо, нескольким компаниям, создающим группировки спутников на низкой околоземной орбите (НОО).
Четверо инсайдеров отрасли в конце концов подтвердили, что Apollo Fusion строит двигатели, использующие ртутное топливо. Apollo Fusion, который был приобретен стартапом по производству ракет Astra в июне 2021 года, настаивал на том, чтобы состав его топливной смеси считался конфиденциальной информацией. Компания отказалась от своих планов по выпуску ртутного топлива в апреле 2021 года. Astra отказалась отвечать на запрос о комментариях для этой истории.
Apollo Fusion не был первым, кто рассматривал возможность использования ртути в качестве топлива. НАСА первоначально испытало его в 1960-х и 1970-х годах с помощью двух испытаний космических электрических двигателей (SERT), одно из которых было отправлено на орбиту в 1970 году. Хотя испытания продемонстрировали эффективность ртути в качестве топлива, те же опасения по поводу токсичности запрещенный во многих других отраслях, прекратил его использование и космическим агентством.
«Я думаю, что это просто выпало из поля зрения многих людей», — говорит Кевин Белл, юрисконсульт PEER. «А потом кто-то просто возродил исследование по этому поводу и сказал: «Эй, помимо воздействия на окружающую среду, это была довольно хорошая идея». Это даст вам конкурентное преимущество на, как мне кажется, довольно жестком конкурентном рынке».
Вероятно, именно поэтому Apollo Fusion стремилась использовать его в своих двигателях. Стартап Apollo Fusion появился более или менее одновременно с появлением массивных созвездий LEO, которые используют сотни или тысячи спутников на орбитах ниже 2000 километров для обеспечения непрерывного покрытия с малой задержкой. Поиск немного более дешевого и более эффективного топлива для одного большого геостационарного спутника не сильно сдвинет стрелку. Но делать то же самое для тысяч спутников, которые нужно заменять каждые несколько лет? Это гораздо более заметная скидка.
Если бы не чрезвычайная токсичность ртути, она могла бы стать чрезвычайно привлекательным топливом. Apollo Fusion хотел использовать тип ионного двигателя, называемый двигателем на эффекте Холла. Ионные двигатели отрывают электроны от атомов, составляющих жидкое или газообразное топливо, а затем электрическое поле отталкивает образовавшиеся ионы от космического корабля, создавая небольшую тягу в противоположном направлении. Физика ракетных двигателей означает, что производительность этих двигателей увеличивается с увеличением массы иона, который вы можете ускорить.
Ртуть тяжелее ксенона или криптона, наиболее часто используемых топлив, что означает большую тягу на выброшенный ион. Он также жидкий при комнатной температуре, что делает его удобным для хранения и использования. И это дешево — нет большой конкуренции со всеми, кто хочет купить ртуть.
Бендер говорит, что ZMWG вместе с PEER пронюхали о том, что Apollo Fusion продает свои двигатели на ртутной основе как минимум трем компаниям, развертывающим созвездия LEO — One Web, Planet Labs и SpaceX. Planet Labs, компания, занимающаяся визуализацией Земли, имеет не менее 200 спутников CubeSat на низкой околоземной орбите. One Web и SpaceX, поставщики беспроводной связи, имеют гораздо больше. One Web планирует вывести на орбиту около 650 спутников к концу 2022 года. SpaceX уже имеет около 1500 активных спутников в своей группировке Starlink, и с прицелом на развертывание до 30 000 спутников до того, как будет сформирована группировка. Другие созвездия, такие как созвездие Койпера Amazon, также планируют развернуть тысячи спутников.
В 2019 году группа исследователей из Италии и США подсчитала, какое количество ртути, используемой в топливе для космических кораблей, может попасть обратно в атмосферу Земли. Они подсчитали, что гипотетическая группировка НОО из 2000 спутников, каждый из которых несет 100 кг топлива, будет выбрасывать 20 тонн ртути каждый год в течение 10-летнего срока службы. Исследователи предположили, что три четверти этой ртути в конечном итоге окажутся в океанах.
Это составляет 1 процент глобальных выбросов ртути из созвездия, что составляет лишь часть размера, запланированного только SpaceX. И если несколько созвездий примут эту технологию, они будут составлять значительный процент глобальных выбросов ртути, особенно, предупреждают исследователи, поскольку другие виды использования ртути постепенно сокращаются, как и планировалось, в ближайшие годы.
К счастью, маловероятно, что какие-либо двигатели на ртутном топливе вообще оторвутся от земли. Перед четвертым совещанием Минаматской конвенции Канада, Европейский Союз и Норвегия вместе с ZMWG подчеркнули опасность ртутного топлива. Положение о запрете использования ртути в спутниках было принято 26 марта 2022 г.
Теперь вопрос в принудительном исполнении. «Очевидно, что миротворцы ООН не отправляются в космос, чтобы сбивать ртутные спутники, — говорит Белл. Но 137 стран, в том числе Соединенные Штаты, которые являются участниками конвенции, обязались соблюдать ее положения, включая запрет на ракетное топливо.
Соединенные Штаты примечательны в этом списке, потому что, как объясняет Бендер, они не ратифицировали Минаматскую конвенцию через Сенат США, а вместо этого сдали на хранение в ООН документ о принятии. В заявлении от 7 ноября 2013 года (примерно через месяц после принятия первоначальной Минаматской конвенции) Государственный департамент США заявил, что страна сможет выполнять свои обязательства «в соответствии с существующими законодательными и регулирующими полномочиями».
Бендер говорит, что разница «незначительна», но это, по-видимому, означает, что правительство США согласилось соблюдать положения Минаматской конвенции, потому что у него уже есть аналогичные законы. За исключением того, что в США до сих пор не существует закона или постановления, запрещающего ртутное топливо. Для Бендера это создает некоторую неопределенность в отношении соблюдения требований, когда положение вступит в силу в 2025 году.
Тем не менее, поскольку американская компания является первым стартапом, который начал экспериментировать с ртутным топливом, было бы идеально иметь более сильную ратификацию Минаматской конвенции в США. прежде чем другая компания додумается до той же идеи. «Рыночные стимулы всегда будут стимулировать экономить и делать что-то более опасное», — говорит Белл.
Обновление от 19 апреля 2022 г.: В электронном письме представитель Astra заявил, что в двигательной установке компании, двигателе космического корабля Astra, не используется ртуть. Представитель также заявил, что Astra не планирует использовать ртутное топливо и что у компании нет на орбите ничего, использующего ртуть.
Обновлено 20 апреля 2022 года, чтобы уточнить, что Apollo Fusion создавала двигатели, в которых использовалась ртуть, а не то, что они действительно использовали их.
3D-печать ионной оптики для электрических двигателей
Введение
Электрические двигатели — это быстро развивающаяся область, охватывающая несколько зрелых технологий, которые постепенно конкурируют с химическими двигательными установками [1], такими как ионные двигатели и двигатели Холла [2], и это распространяется в новых направлениях исследований, таких как новые топлива [3, 4] и инновационные концепции [5, 6].
Как правило, электрические двигатели включают инновации, связанные с материалами и процессами изготовления их компонентов. Например, разработка композитных материалов на основе углерода [7] стимулировала интенсивные исследования, которые привели к развитию углерод-углеродной ионной оптики [8–10], которая в настоящее время является одним из вариантов систем вывода ионных двигателей [11]. , 12]. Однако в последнее время появилось очень мало работ, содержащих инновационные подходы к изготовлению компонентов электродвижения или ориентированных на применение новых производственных технологий, таких как аддитивное производство.
Аддитивное производство включает в себя группу методов, которые создают формы путем объединения материалов с помощью различных физических процессов, в отличие от обычных методов механической обработки, основанных на удалении материала. Согласно стандарту ASTM F42 Комитета по аддитивному производству [13], технологии 3D-печати могут быть отнесены к разным категориям в зависимости от типа исходного сырья и метода его превращения в твердые детали: плавление в порошковом слое, прямое энергетическое осаждение, распыление связующего. , ламинирование листов, экструзия материалов, струйная обработка материалов и фотополимеризация в ваннах. Среди них плавка в порошковом слое — единственная, которая используется на промышленном уровне для производства металлов и полимеров. Эта категория включает две основные технологии: электронно-лучевую плавку (ЭЛП) и селективную лазерную плавку (СЛП), причем последняя является наиболее распространенной и интенсивно изучаемой. SLM, метод послойного добавления материала, который позволяет создавать трехмерные формы путем выборочного уплотнения последовательных слоев порошкового материала друг над другом с помощью энергии, подаваемой управляемым компьютером лазерным лучом [14], уже используется. сгенерированные части БПЛА [15, 16], ракетные двигатели [17] и компоненты кубсатов [18, 19].
Электродвигатели также могут воспользоваться преимуществами SLM, как показано Romei et al. [20], когда они выборочно расплавили лазером теплообменник резисто-струйный из нержавеющей стали. Однако одной из больших проблем применения SLM для изготовления компонентов электрических двигателей является разработка новых материалов для этого процесса. В то время как стальные, титановые и алюминиевые детали выборочно плавятся лазером для различных отраслей промышленности [21, 22], такие металлы, как молибден, который является вариантом для компонентов ионного двигателя, таких как ионная оптика, держатели полого катода и аноды двигателей Холла [23], не имеют были изготовлены с помощью этого метода.
Это исследование представляет SLM как метод производства компонентов электростатических двигателей. Из-за относительно высокой сложности и высоких требований к точности систем вывода ионных двигателей было решено сосредоточить исследования на разработке этого компонента. Во-первых, была произведена и оптимизирована для соответствия требованиям точности ионная оптика аддитивного производства (AMIO). Затем был изучен процесс SLM для молибдена и различных комбинаций молибдена и титана, чтобы найти правильные параметры изготовления. После этого были проанализированы тепловые и механические свойства 3D-печатных металлов и сопоставлены со свойствами твердых (непористых) металлов, чтобы понять их потенциальное полезное применение для ионной оптики. Наконец, титановые и молибденовые AMIO разных размеров были установлены на источники ионов и протестированы в течение короткого времени.
Подтверждение концепции титана AMIO
Несмотря на то, что молибден является традиционным материалом для ионной оптики, другие металлы с низкой скоростью эрозии при распылении и хорошими тепловыми (низкий коэффициент теплового расширения) и структурными свойствами использовались для сеток ионных двигателей. , в частности, титана [24, 25]. Учитывая, что производство SLM из титановых сплавов было тщательно изучено из-за их многочисленных применений в аэрокосмической и медицинской промышленности, Ti6Al4V был выбран в качестве материала для этого доказательства концепции.
Несколько плоских экранных сеток диаметром 14 см и толщиной 0,4 мм были изготовлены с помощью машины SLM китайского производителя Farsoon Technologies, модель FS271M, которая включает в себя Yb-волоконный лазер IPG мощностью 500 Вт, который обеспечивает диаметр пятна 0,1 мм и достигает скорость сканирования 15 м/с, разработан режим однонаправленной подачи порошка, который позволяет регулировать толщину слоя от 0,02 до 0,5 мм с помощью керамического лезвия, а максимальная гарантированная скорость наращивания объема составляет 20 мл/ч. Весь производственный процесс, включая подготовку материалов и оборудования, выбор параметров машины, создание детали, термообработку, разделение платформы детали и сборки и постобработку, занял 23 часа и требовал, чтобы один оператор следил за его ходом.
На рисунке 1A показан процесс SLM: лезвие для распределения порошка наносит слой порошка на поршень изготовления, а затем лазер сканирует порошок в соответствии с шаблоном проектирования. Как только первый слой готов, поршень подачи порошка перемещается вверх, а поршень изготовления перемещается вниз на такое же расстояние. Затем лезвие распределяет следующий слой порошка поверх предыдущего, который будет действовать как слой порошка, и лазер сканирует его по образцу соответствующего слоя рисунка. Этот процесс, происходящий в инертной атмосфере, продолжается до тех пор, пока компонент не будет готов. На рис. 1B показан первый этап процесса разделения платформы на сборку и сборку. Сетка, прикрепленная к платформе сборки из титана, на которой она была создана, была удалена из машины SLM. Затем платформу для сборки зажали так, чтобы она оставалась неподвижной, в то время как быстро движущаяся никелевая проволока отрезала сетку. Напряжения, возникающие в процессе резки проволоки, приводили к деформации оптики, что было решено путем помещения сетки между двумя нагретыми плоскими пластинами.
Рис. 1. (A) Иллюстрация процесса SLM и (B) Начало процесса разделения платформы сборки и сетки.
В результате была получена гладкая поверхность с обеих сторон, сравнимая с отделкой, достигаемой с помощью традиционных методов изготовления, хотя в настоящее время исследуется, как можно гарантировать высококачественную обработку поверхности при каждом изготовлении. Эту проблему следует решать отдельно для нижней поверхности, определяемой как поверхность, соприкасающаяся с платформой для сборки в процессе изготовления, и для верхней поверхности, которая является последним слоем, создаваемым машиной SLM. В процессе резки проволокой на нижней поверхности могли остаться следы, которые можно удалить пескоструйной очисткой, одновременно полирующей другие неровности. Кроме того, сетку можно было снова поместить на другую сборочную платформу и снова отсканировать машиной, чтобы ее поверхность совпадала с шероховатостью верхней поверхности. Небольшие неровности на этой поверхности можно устранить пескоструйной очисткой.
Начальная размерная точность позиционирования массива отверстий (40 мкм) не соответствовала проектным требованиям, поэтому был проведен процесс оптимизации. В нем участвовали тестеры размерной точности (см. рис. 2), то есть образцы трапециевидной формы с девятью отверстиями с геометрическими характеристиками массива отверстий сетки. Как показано на рис. 2, плотность энергии, подаваемой во время последовательных процессов изготовления SLM, была увеличена до 120 Дж/мм ^-3 . Синяя линия показывает квадратичную подгонку экспериментальных данных. Машина SLM доказала свою способность гарантировать допуски менее 20 мкм, достаточные для типичного позиционирования апертуры [26].
Рисунок 2 . Процесс оптимизации размерной точности массива отверстий сетки.
Основными преимуществами AMIO по сравнению с традиционными сетками для ионных двигателей являются сравнительно быстрый производственный процесс и гибкость этого процесса, поскольку на одном и том же оборудовании можно производить оптику разных размеров, форм и материалов. Кроме того, размещение различных сеток нескольких форм на одной сборочной платформе позволяет одновременно изготавливать оптику, которая будет производиться отдельно традиционными методами. Таким образом, AMIO снизит стоимость одной детали по сравнению с традиционными методами производства.
Разработка молибдена AMIO
После того, как SLM доказал свою пригодность для изготовления ионной оптики, следующим шагом стало использование молибдена. Однако в доступной литературе не было найдено исследований или применения молибдена или других металлов с высокой температурой плавления, поэтому было необходимо провести параметрическое исследование SLM, чтобы разработать процесс изготовления SLM с молибденом.
Процесс SLM имеет примерно четыре параметра изготовления, которые можно регулировать: мощность лазера P (Вт), скорость сканирования v (мм с ⁻¹ ), шаг штриховки h (мм), то есть расстояние между двумя последовательными путями лазерного луча, которые сканируют один слой материала, и слой толщина т (мм). Эти параметры можно объединить в величину, называемую плотностью энергии E _D (Дж мм ^-3 ) [27, 28], что показано в уравнении 1, которое представляет энергию, обеспечиваемую сырьем лазера на единицу объема.
ED=Pv h t (1)
Целью исследования параметров SLM является поиск правильной комбинации параметров для изготовления деталей из нового материала. Результатом исследования будет плотность энергии или диапазон плотностей энергии, которые дают желаемые результаты, что является характеристическим значением для каждого материала. Несмотря на то, что четыре параметра изготовления ( P, v, h и t ) имеют одинаковый вес в формуле E _D, большинство параметрических исследований сосредоточено на изменении мощности лазера и скорость сканирования, установка шага штриховки и толщины слоя близко к минимальным машинным значениям. Это особенно верно для металлов с высокой температурой плавления, таких как молибден (температура плавления 2900°C, приблизительно), где необходимо применять высокую плотность энергии для создания ванны расплава, которая будет затвердевать, обеспечивая механические свойства, аналогичные тем, которые достигаются при использовании обычных методов производства.
На рис. 3 представлены результаты проведенного параметрического исследования. Он начался с применения значений плотности энергии <100 Дж/мм ^-3 , что привело к отказу при изготовлении, поскольку подаваемой энергии было недостаточно для расплавления границ порошка. Спекание молибдена было достигнуто при плотности энергии около 150 Дж мм ⁻³ . E _D постепенно увеличивали до тех пор, пока результаты не показали гладкую поверхность, а пористость не уменьшилась до значений менее 10%, что произошло для E _D близко к 300 Дж мм −3

. С целью уменьшения пористости эти плотности энергии были увеличены до значений, близких к максимально достижимым на машине СЛМ, но образцы были сожжены из-за избытка энергии. Был сделан вывод, что детали из молибдена могут быть удовлетворительно изготовлены с помощью SLM, обеспечивающего плотность энергии около 300 Дж/мм 9 .0336 −3 . Для справки, производственные значения для титана (температура плавления 1900 ° C, приблизительно) составляют около E _D = 100 Дж мм ^-3 . Для обеспечения повторяемости производственного процесса была напечатана партия образцов для каждой комбинации параметров.

Рисунок 3 . Параметрическое исследование процесса СЛП молибдена.

После того, как была найдена правильная комбинация параметров, было изготовлено несколько партий небольших наборов ионной оптики (диаметром 4 см). На рисунке 4А показана платформа сборки после того, как она была удалена из машины SLM и когда излишки порошка были частично удалены. Учитывая небольшой размер оптики, можно было разместить на одной сборочной платформе несколько наборов, а также несколько образцов, функция которых состояла в том, чтобы сопоставить качество поверхности с качеством сеток и проверить, способны ли параметры, дающие приемлемые параллелепипеды, соответствовать друг другу. правильно генерировать ионную оптику. На рис. 4В показан набор сеток экрана и ускорителя после разрезания проволоки.

Рис. 4. (A) ионная оптика и образцы, прикрепленные к сборочной платформе, и (B) набор сеток после разрезания проволоки.

В отличие от того, что произошло во время разделения платформы сборки/детали сетки диаметром 14 см, меньшая оптика не деформировалась после процесса резки проволоки, что, наряду с тем фактом, что меньший размер оптики позволяет одновременное изготовление нескольких экранов и набор ускорительных сеток, что позволило сократить время изготовления (четыре комплекта молибденовых сеток за ~15 ч).

Подобно тому, что произошло в производстве с титаном, обработка поверхности была сравнима с обработкой традиционных производственных процессов для некоторых решеток, но не могла быть гарантирована для всех компонентов, поэтому это один из основных вопросов, находящихся в стадии расследования.

Металлы, изготовленные аддитивным способом, и их применение

Образцы нескольких комбинаций молибдена и титана были выборочно расплавлены лазером с различной плотностью энергии, и их плотности и коэффициенты теплового расширения (КТР) были измерены и нанесены на график, как показано на рисунке 5A. Видно, что чем выше плотность энергии, тем ближе КТР и плотность материалов СЛП приближаются к значениям чистых металлов, то есть плотность увеличивается, а КТР уменьшается с ростом плотности энергии. Установлено, что изменения КТР при изменении плотности энергии более заметны (до 20%), чем при изменении плотности (<10%).

Рис. 5. (A) Средний линейный КТР и плотность образцов, изготовленных с различной плотностью энергии и (B) Рентгеноструктурный анализ образца SLM Mo по сравнению с типичным Mo.

Рентгеноструктурный анализ был проводили на образцах чистого молибдена и образцах молибдена SLM (случай 100% Mo), как показано на рисунке 5B. Два дополнительных пика спектра показали, что новая фаза возникла в результате процесса изготовления, что объясняет различное термическое поведение. В настоящее время тот же анализ применяется к нескольким образцам SLM, чтобы сравнить их спектры со спектрами чистых металлов или сплавов, изготовленных традиционным способом.

Учитывая, что КТР на выходе изготовления ПМС можно регулировать плотностью подводимой в процессе энергии, была предложена концепция комплекта ионной оптики с разным КТР для экрана и ускорительной (ускорительной) сетки. В типичных экстракционных системах, учитывая, что температура сетки экрана выше [29], она будет расширяться больше, чем ускоряющая сетка, уменьшая зазор между сетками, что будет влиять на производительность системы экстракции. Однако если бы КТР ускорительной сетки был выше, чем у экранной, то обе сетки могли бы расширяться более одинаково, тем самым уменьшая разницу между холодным и горячим зазором. Эта концепция проиллюстрирована на рис. 6, где в верхней части представлено тепловое поведение системы ускорения ионов с двумя сетками с одинаковым КТР для экранной и ускорительной сеток, а в нижней части — поведение того же набора сеток, когда ускорительная сетка КТР выше сетки экрана.

Рисунок 6 . Представление изменения зазора между сетками для ионной оптики, когда сетка экрана и сетка ускорения имеют одинаковый КТР (верхняя часть) и когда КТР сетки ускорения выше, чем сетки экрана (нижняя часть) .

Системы ионной оптики с различными КТР для экранной и ускорительной решеток могут иметь дополнительное преимущество. В то время как в типичных экстракционных системах неравномерное расширение сеток вызывает смещение центра апертуры, что искажает траектории ионов, когда сетки ускорения и экрана расширяются одинаково, эту проблему можно смягчить.

Тепловое расширение ионной оптики было смоделировано Шунк [30] и теоретически изучено Суласом [31], который разработал теоретическую модель для предсказания нормального (w) и тангенциального (v) смещения перфорированных сферических оболочек. Применяя аналогичную модель к набору из двух сеток куполообразной вытяжной системы диаметром 50 см с круглыми отверстиями, распределенными в массиве шестиугольных отверстий, где сетка экрана имеет толщину 1,6 мм и имеет отверстия диаметром 0,84 мм, а сетка ускорения имеет толщину 4,1 мм и имеет Для отверстий диаметром 0,4 мм нормальные и тангенциальные смещения могут быть рассчитаны для двух сеток. На рис. 7 показаны нормальные и тангенциальные перемещения этого комплекта сеток при типичной осесимметричной тепловой нагрузке в процессе эксплуатации. На рис. 7 также представлены смещения концептуального набора AMIO с той же геометрией, в которой КТР сетки ускорения на 20% выше, чем у сетки экрана.

Рисунок 7 . Нормальные и тангенциальные смещения для типичной ионной оптики и для AMIO.

На рис. 8 показано вычисление изменения зазора между сетками, то есть разницы между расширением ускорения и сетки экрана. Отрицательные значения означают, что зазор между оптикой уменьшается во время работы. Смещение апертуры для типичных сеток и AMIO также вычисляется путем вычитания тангенциального смещения сетки экрана из сетки ускорения. Можно видеть, что AMIO предлагает лучшее решение с точки зрения изменения зазора между сетками (среднее уменьшение на 65%) и смещения апертуры (среднее уменьшение на 38%), чем традиционная ионная оптика.

Рисунок 8 . Зазор между сетками и смещение апертуры для типичной ионной оптики и для AMIO.

Испытания AMIO

Экранная сетка Ti6Al4V и один комплект молибденовой ионной оптики были установлены на реальные источники ионов, которые были зажжены. Предполагалось провести короткие тесты, чтобы найти аномалии в работе или ранние признаки износа экстракционных систем, изготовленных аддитивным способом.

Источник ионов с Ti6Al4V AMIO

Источник ионов был разработан для испытаний с сеткой Ti6Al4V. Цель этого эксперимента состояла в том, чтобы исследовать потенциальные проблемы установки 3D-печатной сетки на источнике ионов, такие как неоднородные свойства материала, вызывающие деформацию поверхности в областях затяжки винтов, или ранние дефекты эрозии на высокоплотных поверхностях. области плазмы из-за пористых поверхностных слоев сетки, не обнаруженные во время постпроизводственного контроля, и измерить разрядную кривую источника ионов x10 ⁻² T .

Разработана и изготовлена простая разрядная камера из нержавеющей стали с керамической изоляцией. На рисунках 9А,Б показан соответственно открытый изометрический вид и вид сзади камеры с пронумерованными ее различными частями: (1) цилиндр камеры, (2) задняя пластина цилиндра, прикрепленная к внутренней части цилиндра камеры, (3 ) керамический изолятор с полым катодом, который электрически отделяет камеру от полого катода (4) система подачи ксенона, (5) кольцо изоляции керамической сетки, которое электрически разделяет камеру и сетку, и (6) изолятор керамических болтов, которые изолируют болты, которыми сетка крепится к разрядной камере, и (7) магнитные кольца из кобальта-самария, которые создают магнитное поле для сдерживания плазмы, как показано на рисунке 9.C, где цветная полоса представляет силу магнитного поля, создаваемого кольцами, а черные линии — линии магнитного поля.

Рисунок 9 . Разрядная камера (A) , открытый вид спереди, (B) , вид сзади, и (C) магнитное поле.

На рис. 10А показан узел источника ионов внутри вакуумной камеры, где он был испытан, на рис. 10В показано зажигание в начале эксперимента, а на рис. 10С показана разрядная кривая, измеренная в конце ионного источника, которая соответствует типичному разрядный процесс [32]. Источник ионов с напечатанной на 3D-принтере сеткой загорелся и вскоре заработал. После испытания сетку экрана сняли и проверили на наличие ранних признаков эрозии, но их не было.

Рис. 10. (A) ионный источник и экранная решетка в сборе, (B) зажигание ионного источника и (C) кривая разряда ионного источника .

Ионный геликоновый двигатель с молибденом AMIO

Комплект 3D-печатного молибденового экрана и ионной оптики ускорителя был испытан на геликоновом ионном двигателе. Две сетки были установлены в качестве замены оптики, изготовленной традиционными методами, и было успешно проведено короткое испытание системы экстракции, изготовленной аддитивным способом.

На рисунке 11 показана схема системы ионно-геликонного двигателя, использованной в этом испытании, включая электрические соединения системы извлечения. Это малогабаритная сборка лабораторного масштаба, которая может работать как с ионной оптикой, так и без нее. Источник аргона соединен с газоразрядной трубкой, куда впрыскивается газ, который затем ионизируется с помощью радиочастотного источника и магнитной катушки. Разрядная трубка заканчивается цилиндрическим вакуумным резервуаром (диаметр 32 см × высота 50 см) с отверстиями, через которые можно установить ускорительную систему. На рис. 12А представлена система извлечения плазмы с электрическими соединениями до того, как она была установлена на конце разрядной трубки.

Рисунок 11 . Схема системы ионного двигателя Helicon.

Рисунок 12 . Сборка системы извлечения молибдена, напечатанная на 3D-принтере, (A) перед установкой на двигатель и (B) во время работы.

Испытание проводилось при фоновом давлении 5 × 10 ⁻² Па и осевом магнитном поле 200 Гс. Мощность радиочастотного источника составляла 1 кВт, массовый расход аргона был установлен на уровне 10,8 кубических сантиметров в минуту, а давление газа во время испытания составляло 0,4 Па. На рис. 12Б показана работа двигателя с системой разгона.

На рис. 13А показан экран и напряжения и токи сетки Accel во время испытаний геликонных двигателей. Электрический потенциал увеличивался со временем в ходе эксперимента, поддерживая напряжение ускоряющей сетки на один или два порядка выше, чем напряжение экранной сетки. Что касается тока, то он увеличивался со временем для сетки экрана и уменьшался для сетки ускорения, при этом более высокие значения тока применялись к сетке экрана. На рис. 13В показаны зависимости тока от напряжения для экранной и ускорительной решеток во время испытания геликонного двигателя. В то время как электрический потенциал экранной сетки и изменения тока во времени были одинаковыми в течение трех экспериментов, к ускорительной сетке применялись три различных изменения тока.

Рис. 13. (A) Напряжения и токи экранной и ускорительной решеток во время испытаний геликонного двигателя и (B) токов в зависимости от напряжений экранной и ускорительной решеток во время испытаний геликонного двигателя.

Ионный геликонный двигатель работал несколько часов, в течение которых несколько раз регулировался потенциал сетки ускорителя. Система извлечения, напечатанная на 3D-принтере, работала нормально и не вызывала каких-либо аномалий в работе. После эксперимента ионная оптика была снята и осмотрена, но признаков раннего износа обнаружено не было.

Другой тест был проведен с набором оптики, качество поверхности которой было неоптимальным, что привело к возникновению электрических дуг между экраном и ускорительной решеткой после зажигания. Этот факт подкреплял идею о том, что очень важно иметь возможность гарантировать хорошую отделку поверхности для каждой решетки.

Другие направления исследований

Работа, представленная в этой статье, является кратким изложением текущего проекта Пекинского технологического института по разработке ионной оптики аддитивного производства (AMIO). те, кто находится на продвинутой стадии развития, обведены красным. Исследование КТР материалов, плавимых с помощью лазера, будет продолжено, и оно предназначено для создания и тестирования куполообразных сеток с различным КТР. Чтобы проверить пригодность SLM для изготовления ионной оптики, необходимо оценить поведение распыления металлов, селективно расплавленных лазером. Кроме того, попытки аддитивного производства материалов на основе углерода были безуспешными, и изучаются различные способы получения успешных прототипов. Конечной целью проекта будет получение систем извлечения со свойствами, аналогичными углерод-углеродным (CC) сеткам, посредством аддитивного производства.

Рисунок 14 . Путь развития АМИО.

Помимо развития AMIO, исследования, представленные в предыдущих разделах, в настоящее время расширяются в нескольких направлениях. В настоящее время исследуется производство SLM других компонентов электрических двигателей, таких как аноды двигателей Холла, и рассматривается разработка процесса SLM для других огнеупорных материалов, используемых в электрических двигателях, таких как тантал. Кроме того, исследуется воспроизведение напыленных структур с помощью SLM. SLM может генерировать ионную оптику с шаблонами «ям и канавок» после определенного периода работы, прогнозируемого моделью PIC, как показано на рисунке 15. Эти сетки можно протестировать, чтобы понять изменение производительности ионного двигателя с эродированной системой извлечения и измерить шлейф. производительность, которая считается постоянной в текущих моделях PIC. Эти результаты могут помочь улучшить модели PIC и сократить сроки испытаний ионной оптики.

Рисунок 15 . Картина эрозии ионной оптики и картина неудачно сформированных сеток.

Заключение

В этой работе представлен прогресс в исследованиях аддитивного производства ионной оптики (AMIO), целью которого является производство здоровых компонентов для исследовательских и коммерческих приложений, а также создание основы для исследования производства в космосе деталей электрических двигателей. с помощью аддитивных технологий производства. До сих пор было показано, что с точки зрения микроструктуры, обработки поверхности и точности размеров можно использовать ионную оптику для изготовления SLM как с титаном, так и с молибденом. Параметрическое исследование показало, что высокие значения плотности энергии (300 Дж/мм ⁻³ ) необходимы для печати тугоплавкого металла, молибдена. AMIO не только конкурентоспособны с точки зрения времени производства и стоимости, что делает их привлекательными для коммерческого использования, но контроль КТР сетей за счет плотности энергии, подаваемой в процессе SLM, может позволить уменьшить типичную металлическую ионную оптику. проблемы с тепловым расширением. Кроме того, были успешно проведены короткие тесты на реальных источниках ионов с 3D-печатными сетками, и было показано, что можно выборочно расплавлять сетки с помощью лазерного распыления с эрозионными рисунками.

Результаты этого исследования применимы к другим частям электростатических двигателей, таким как аноды двигателей Холла, и могут стать основой для других исследований, связанных с процессом SLM тугоплавких металлов. На следующих этапах будет изучено поведение распыления селективно расплавленного лазером молибдена, и будет разработан процесс SLM для материалов на основе углерода. Он также предназначен для проведения более длительных испытаний 3D-печатных компонентов, установленных на источниках ионов, и для воспроизведения напыленных структур с помощью SLM.

Авторские вклады

Работа, представленная в этой статье, содержит последние результаты докторского исследования РС, которым руководили KX и NW. ZZ и SG внесли свой вклад в оценку результатов. Н.Г. отвечает за проектирование сетей, представленных в этом исследовании, и за надзор за проводимыми на них испытаниями.

Финансирование

Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая в рамках грантов № 11402025 и 11475019. Мы также хотели бы отметить финансовую поддержку Национальной ключевой лаборатории науки и техники по вакуумной технологии и физике в рамках гранта № ZWK1608.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить профессора Франческо Такконья за идеи, которые он предложил во время обсуждения 3D-печати ионной оптики.

Ссылки

1. Салех Дж. Х., Гэн Ф., Ку М., Уокер М.Л.Р. Надежность электрических двигателей: статистический анализ аномалий на орбите и сравнительный анализ частоты отказов электрических и химических двигателей. Acta Astronautica (2017) 139 : 141–56. doi: 10.1016/j.actaastro.2017.06.034

CrossRef Полный текст | Google Scholar

2. Mazouffre S. Электрические двигатели для спутников и космических аппаратов: устоявшиеся технологии и новые подходы. Plasma Sour Sci Techn. (2016) 25 :033002. doi: 10.1088/0963-0252/25/3/033002

CrossRef Full Text | Google Scholar

3. Holste K, Gartner W, Kohler P, Dietz P, Konrad J, Schlippers S, et al. В поисках альтернативных топлив для ионных двигателей ИЭПК-2015-320. В: 34-я Международная конференция по электродвигателям . Кобе (2015).

Google Scholar

4. Цай М., Фронгилло Дж., Хохман К. Миниатюрный ионный двигатель на йодном топливе для приложений CubeSat. В: ИЭПК-2015-273. 6-й симпозиум по наноспутникам . Кобе (2015).

5. Паттерсон М.Дж., Герман Д., Шастри Р., Ван Ноорд Дж., Фостер Дж.Е. Ионный двигатель с кольцевой геометрией: концепция, состояние разработки и предварительные характеристики AIAA 2012-3798. В: 48-я Совместная конференция и выставка по двигателям AIAA / ASME / SAE / ASEE. Атланта (2012 г.).

Google Scholar

6. Шастри Р., Паттерсон М.Дж., Герман Д.А., Фостер Дж.Е. Измерения плотности тока ионного двигателя кольцевой геометрии. В: 48-я Совместная конференция и выставка по двигателям AIAA / ASME / SAE / ASEE. Атланта (2012 г.).

Google Scholar

7. Виндхорст Т., Блаунт Г. Углерод-углеродные композиты: обзор последних разработок и приложений. Mater Design (1997) 18 : 11–5.

Google Scholar

8. Хааг Т. Механическое проектирование углеродно-ионной оптики. В: Бумага AIAA 2005-4408. Такстон (2005 г.).

Google Scholar

9. Снайдер Дж.С., Брофи Дж.Р., Гобель Д.М., Битти Дж.С., Де Пано М.К. Разработка и испытания ионной оптики на основе углерода для 30-сантиметровых ионных двигателей. В: Бумага AIAA 2003-4716. Хантсвилл (2003 г., июль).

10. Сангрегорио М., Се К., Ван Н., Го Н., Чжан З. Решетки ионных двигателей: функция, основные параметры, проблемы, конфигурации, геометрия, материалы и методы изготовления. Китайский J Aeronautics (2018) 31 : 1635–49. doi: 10.1016/j.cja.2018.06.005

Полный текст CrossRef | Google Scholar

11. Битти Дж. С., Снайдер Дж. С., Ши В. Производство 57-сантиметровой углеродно-углеродной ионной оптики для ионного двигателя NEXIS. В: Бумага AIAA 2005-4411. Тусон (2005 г., август).

12. Фунаки Ю., Куникака Ю., Токи К., К., Симидзу Х., Нишияма И.Х. Проверочные испытания углерод-углеродных композитных сеток для СВЧ-разрядного ионного двигателя. Дж Силовая установка (2002) 18 : 169–75. doi: 10.2514/2.5913

CrossRef Full Text

13. Sames WJ, List FA, Pannala S, Dehoff RR, Babu SS. Металлургия и наука об обработке металлов аддитивным производством. Int Mater Rev . (2016) 61 : 1–46. doi: 10.1080/09506608.2015.1116649

CrossRef Full Text | Google Scholar

14. Крут Дж. П., Ванденбрук Б., Ван Варенберг Дж. и Мерселис П. Сравнительный анализ различных процессов SLS/SLM как методов быстрого производства. В: Международная конференция «Инновации полимеров и пресс-форм» (PMI) . Гент (2005).

15. Гох Г.Д., Агарвала С., Гох Г.Л., Дикшит В., Йонг В.Ю. Аддитивное производство беспилотных летательных аппаратов (БПЛА): проблемы и потенциал. Аэрокосмическая наука Техн. (2016) 63 : 140–51. doi: 10.1016/j.ast.2016.12.019

CrossRef Полный текст | Google Scholar

16. Мун С.К., Тан Й.Е., Хван Дж., Юн Й.Дж. Применение технологии 3D-печати для проектирования легких конструкций крыльев беспилотных летательных аппаратов. Int J Precision Eng Manufact-Green Technol. (2014) 1 :223–8. doi: 10.1007/s40684-014-0028-x

CrossRef Full Text | Google Scholar

17. Чжан Т., Миямото С. 3D-печать: экономичный и своевременный подход к производству двигателей малой тяги. В: 50-я Совместная конференция по двигателям AIAA/ASME/SAE/ASEE. Огайо (2014).

Google Scholar

18. Kief C, Aarestad J, Macdonald E, Kwas A, Zemba M, Avery K, et al. Многофункциональность печати: аддитивное производство кубсатов. In: Конференция и выставка AIAA SPACE 2014. Огайо (2014).

Google Scholar

19. Gaudenzi P, Atek S, Cardini V, Eugeni M, Graterol G, Lampani L, Pasquali M, Pollice L. Пересмотр конфигурации конструкций малых спутников в рамках трехмерного аддитивного производства. Acta Astronautica (2018) 146 : 356–68. doi: 10.1016/j.actaastro.2018.01.036

CrossRef Полный текст | Google Scholar

20. Ромеи Ф., Грубишич А. Н., Гиббон Д. Изготовление высокотемпературного резистивного теплообменника методом селективного лазерного плавления. Acta Astronautica (2017) 138 : 356–68. doi: 10.1016/j.actaastro.2017.05.020

CrossRef Полный текст | Google Scholar

21. Шукла М., Махаммод Р., Акинлаби Э., Питяна С. Влияние мощности лазера и расхода порошка на свойства металла Ti6Al4V, осажденного лазером. Int J Mech Aerospace Industrial Mechatr Manufact Eng . (2012) 6 : 2475–79. doi: 10.1016/j.matpr.2015.07.233

CrossRef Полный текст | Google Scholar

22. Лувис Э., Фокс П., Сатклифф С. Селективное лазерное плавление алюминиевых компонентов. J Mater Process Techn. (2011) 211 . doi: 10.1016/j.jmatprotec.2010.09.019

Полный текст CrossRef | Google Scholar

23. Goebel DM, Katz I. Основы электрического движения: ионные и холловские двигатели . Нью-Джерси, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc. (2008).

Google Scholar

24. Сулас Г.К. Оценка эффективности титановой ионной оптики для 30-сантиметрового ионного двигателя НАСА. В: IEPC Paper 01-092 . Пасадена (2001, октябрь).

25. Сулас Г.К., Хааг Т.В., Паттерсон М.Дж., Роулин В.К. Титановая оптика для ионных двигателей. В: IEPC Paper 99-149 . Китакюску (1999, октябрь).

26. Сангрегорио М., Ван Н., Се К., Чжан З. Быстрое изготовление ионной оптики методом селективного лазерного плавления. Быстрое прототипирование J. (2018). doi: 10.1108/RPJ-05-2017-0085

CrossRef Полный текст | Google Scholar

27. Wang XJ, Zhang LC, Fang MH, Sercombe TB. Влияние атмосферы на структуру и свойства селективного лазерного плавления сплава Al-12Si. Mater Sci Eng A . (2014) 5 97 :370–5. doi: 10.1016/j.msea.2014.01.012

Полный текст CrossRef | Google Scholar

28. Gu H, Gong H, Pal D, Rafi K, Starr T, Stucker B. Влияние плотности энергии на пористость и микроструктуру селективной лазерной плавки нержавеющей стали 17-4PH.

Реактивная тяга или как устроен ионный реактивный двигатель / Хабр

Ионный двигатель — что это такое?

Возможности ионного двигателя | Предания и легенды

Ионные двигатели: от фантастики к реальным пускам

X-37B испытает новый ионный двигатель на эффекте Холла

Аполлон-15

Перун — бог грома и молний

Мировые войны

Архимед — биография

Перестройка в СССР

Картина на основании фотографии — универсальный подарок

Древняя Македония

Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель

Как работает ионный двигатель и где он применяется: luckyea77 — LiveJournal

Ионный двигатель — ключ к исследованию дальнего космоса

Усовершенствованный ионный двигатель с использованием изотопа Krypton для ракетного двигателя-IJERT

Усовершенствованная ионная движущая сила с использованием изотопа Krypton для ракетного двигателя

ИОННАЯ РАКЕТА С ИСТОЧНИКОМ ИОНОВ ЭЛЕКТРОННОЙ БОМБАРДЫ (Технический отчет)

Форматы цитирования

Глобальные модели радиочастотных ионных двигателей | EPJ Techniques and Instrumentation

Abstract

Введение

Физика ионных ВЧ двигателей

Моделирование глобального радиочастотного ионного двигателя

Модель 0D

2D осесимметричная модель

Решатель электромагнитного поля / энергосбережение

Вытяжная и производительная модель

Моделирование коэффициента передачи

Ионы

Нейтралы

Трехмерная модель

0 и использование

Решение самосогласованной системы уравнений баланса

Периферийная модель

Экспериментальная проверка

Экспериментальная установка

Сравнение и обсуждение результатов

Заключение

Доступность данных и материалов

Сокращения

Каталожные номера

Благодарности

Финансирование

Информация об авторе

Авторы и организации

Вклады

Автор, ответственный за переписку

Декларация этики

Одобрение этики и согласие на участие

Согласие на публикацию

Конкурирующие интересы

Дополнительная информация

Примечание издателя

Права и разрешения

Об этой статье

ООН уничтожает любые планы по использованию ртути в качестве ракетного топлива

3D-печать ионной оптики для электрических двигателей

Введение

Подтверждение концепции титана AMIO

Разработка молибдена AMIO

Металлы, изготовленные аддитивным способом, и их применение

Испытания AMIO

Источник ионов с Ti6Al4V AMIO

Ионный геликоновый двигатель с молибденом AMIO

Другие направления исследований

Заключение

Авторские вклады

Финансирование

Заявление о конфликте интересов

Благодарности

Ссылки