КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 22-29-01006

НазваниеРазработка оригинальной концепции высокочастотного ионного двигателя с значительной кривизной электродов ионно-оптической системы и магнитной защитой стенок разрядной камеры

РуководительАбгарян Вартан Карленович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)", г Москва

Годы выполнения при поддержке РНФ 2022 - 2023 

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-405 - Транспортная энергетика (наземного, водного, воздушного, космического транспорта)

Ключевые словаплазма, ионный двигатель, индуктивный разряд, разрядная камера, ионно-оптическая система, удельный импульс, цена ионного тока, магнитное поле,

Код ГРНТИ55.42.49


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Актуальность Увеличение срока активного существования (САС) космических аппаратов (КА) является одним из приоритетных направлений развития космической техники на сегодня. Решение данной задачи невозможно без повышения эффективности используемых на КА двигательных установок. Наиболее перспективным для достижения этой цели является применение для поддержания или коррекции рабочих орбит КА электроракетных двигателей (ЭРД) малой тяги, имеющих ресурс более 15000 часов. Широко распространены во всех космических странах, эксплуатирующих космическое пространство, стационарные плазменные двигатели (СПД), схема которого разработана в СССР А.И. Морозовым (Морозов А.И. Физические основы космических электрореактивных двигателей// в кн. «Элементы динамики потоков в ЭРД, С.252, М., Атомиздат, 1978). Существующие модели СПД обеспечивают удельную тягу (Iуд), приближающуюся к уровню 3000 с. Большие значения Iуд (порядка 3500–5000 с) могут быть достигнуты за счёт использования сеточных ионных двигателей (ИД), технология изготовления которых получила широкое развитие в США (NASA), Европе (ESA), Китае и Японии (JAXA). К настоящему времени в мире разрабатывается и эксплуатируется три конкурирующих между собой технологии ИД: 1. ионные двигатели типа Кауфмана, основанные на разряде постоянного тока (ИДПТ) (https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20110000521/downloads/20110000521.pdf); 2. высокочастотные ионные двигатели (ВЧ ИД) с индуктивным радиочастотным разрядом (диапазон частот 0,5…2 МГц); 3. сверхвысокочастотные ионные двигатели (СВЧ ИД) с СВЧ разрядом (частота более 2 ГГц). Наибольшее распространение получила технология ИДПТ, которая широко используется в NASA (ИД XIPS и NEXT). В Европе активно применяют как ИДПТ, так и ВЧ ИД, которые в мире имеют аббревиатуру RIT (Radiofrequancy Ion Thruster). Автором схемы RIT является Доктор Хорст Лёб, Германия (H. Loeb. Ein electrostatisches Raketentriebwerk mit Hochfrequezioenquelle // Astronautica Acta. – 1962. – Vol. 8. № 1. – pp. 49–53.). СВЧ ИД в настоящее время успешно применяются только в Японии (JAXA). Помимо использования ИД для решения задач коррекции и поддержания орбиты КА в околоземном пространстве, практически всеми ведущими странами рассматривается применение двигательных установок на базе ионных двигателей на борту космических аппаратов, предназначенных для миссий в дальнем космосе. Отметим успешные миссии Хаябуши 1 и Хаябуши 2 (https://www.jpl.nasa.gov/missions/hayabusa), выполненных JAXA, в которых в качестве маршевых были использованы именно ионные двигатели µ10 с СВЧ разрядом плазмы. Также отметим миссию Deep Space 1 для полета к астероиду Веста, в которой в качестве маршевой установки использовался ионный двигатель NSTAR (NASA). Необходимостью решения перспективных задач, а также активной конкуренцией ведущих космических стран обусловлена актуальность исследований и разработок в области ионных двигателей. Научная новизна, краткое содержание В предлагаемом исследовании планируется определение геометрии основных элементов конструкции двигателя схемы ВЧ ИД нового поколения, а именно разрядной камеры, электродов ионно-оптической системы, а также ВЧ-индуктора. Также рассматривается эффективность применения магнитной защиты стенок разрядной камеры от компонентов плазмы. В конструкциях всех существующих схем ИД применяются плоские сеточные электроды ионно-оптической системы (ИОС), либо электроды с малой кривизной поверхности. Малая кривизна использовалась для направления термомеханической деформации электродов внутрь разрядной камеры (РК), либо вне ее. Считается, что при плоской геометрии ИОС, либо близкой к ней достигается наименьшая величина потока нейтральных атомов рабочего газа, не ионизовавшихся в разряде и непрерывно вытекающих из плазменного объема через отверстия в электродах ИОС, что определяет бесполезные потери рабочего газа, принципиально присутствующие в схемах ИД. Кроме этого плоская геометрия обеспечивает наименьшую расходимость выходящего ионного пучка. При правильной юстировке отверстий в электродах ИОС в ИД достигается расходимость ионного пучка с полууглом на уровне 3-5 градусов, что является довольно существенным преимуществом ИД по сравнению с СПД, в которых реальная расходимость пучка существенно выше и составляет 15-30 градусов. Отметим, расходимость пучка входит в выражение для удельной тяги Iуд, наряду с величиной извлекаемого ионного тока Iпучка и ускоряющим напряжением U, приложенным между электродами ИОС. Видимо, поэтому применение ИОС с большой кривизной ранее в мире не рассматривалось. Конкретный вид конструкции всех известных моделей ВЧ ИД (RIT) выбирался из технологических соображений (простота изготовления) и на основе опыта предшествующих исследований, базировавшихся на практике экспериментальной отработки конструктивных решений. Так, первые ИД, предложенные еще в 50-60-х годах прошлого столетия, имели цилиндрическую форму РК и плоскую ИОС. Такие схемы для ИДПТ и ВЧ ИД используются до сих пор, хотя переход к полусферической РК в ряде конкретных двигателей RIT позволил снизить потери вкладываемой в разряд мощности на стенках камеры примерно на 15% просто за счет уменьшения величины площади её внутренней поверхности. Работа по предлагаемому Проекту направлена на определение облика перспективной конструкции ВЧ ИД нового поколения с повышенными по сравнению с известными схемами ВЧ ИД тяговыми характеристиками. Исполнители работ по Проекту считают, что заметное повышение технических характеристик двигателей схемы ВЧ ИД можно достичь применением существенно выпуклых наружу электродов ионно-оптической системы в сочетании с переходом к возможно более плоским разрядным камерам. Схемы с плоской верхней поверхностью РК, над которой располагается ВЧ индуктор известны (д.ф.м.н. Кралькина Е.А. и др. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=20800410). Однако применение в схемах ИД именно электродов с большой кривизной ранее не отмечено и по нашему убеждению приведет к существенному увеличению тяги двигателей. Очевидно, что применение сильно выпуклых электродов заметно увеличивает объем плазмы в разрядной камере, и, таким образом, следует ожидать увеличения величины извлекаемого ионного тока Iпучка. Изменение величины и формы ионизационного объема изменяет топологию самосогласованного электростатического поля в разряде, в котором движутся образовавшиеся ионы, что влияет на распределения в объеме основных параметров плазмы - электронной плотности и электронной температуры ne и Te соответственно. Поэтому вполне правомерна постановка оптимизационной задачи о нахождении оптимальной формы ионизационного объема V0 при условии его сохранения, т.е при V0= const. Критерием оптимизации является тяга двигателя, рассчитываемая из распределений ne и Te вблизи внутренней поверхности ИОС, с учетом расходимости ионного пучка, определяемой геометрией ИОС. Параметрами оптимизации являются геометрические параметры конфигураций РК и ИОС, а также конфигурации ВЧ индуктора - число и расположение витков. Такая постановка задачи определения облика ионных двигателей схемы RIT(ВЧ ИД) ранее нигде в мире не применялась. Улучшение характеристик концепта ВЧ ИД планируется достигнуть также путем ввода в схему постоянного магнитного поля, которое должно выполнять функцию магнитной изоляции стенки РК от плазмы, по аналогии с применяемыми в двигателях Кауфмана магнитами (или электромагнитами, как в двигателе Т6, Великобритания). Отметим, что для ВЧ ИД (RIT) магнитная защита стенок РК ранее не применялась. В предлагаемом исследовании планируется проведения расчетов для схем, в которых будет размещена дополнительная обмотка. Выбор оптимальной взаимной конфигурации ВЧ индуктора и витков дополнительной обмотки, а также выбор величин тока в дополнительной обмотке является одной из задач предстоящего исследования. Для проведения оптимизационных расчетов необходимо наличие физико-математической модели плазменного разряда в ВЧ ИД. Такая численная модель была ранее разработана исполнителем работ по проекту А.В. Мельниковым в ходе выполнения диссертационной работы (https://mai.ru/upload/iblock/29f/Melnikov_A.V._dissertatsiya.pdf). Модель верифицирована по результатам зондовых измерений параметров плазмы внутри разрядной камеры лабораторной модели ВЧИД-8 с полусферической РК и плоской ИОС, изготовленной ранее в НИИ ПМЭ МАИ. С помощью упомянутой численной модели ранее предварительные расчеты тяги в модели двигателя ВЧИД-16 с диаметром сечения 16 см были выполнены членами коллектива исполнителей для различных конфигураций РК и ИОС различной кривизны, от плоской до полусферической, при сохранении объема плазменного разряда. Расчеты выполнялись при одинаковых значениях массового расхода рабочего газа, вкладываемой в разряд ВЧ мощности и числе витков индуктора. В результате численных расчетов обнаружено существенное увеличение - вплоть до 40% - тяги по сравнению с традиционной схемой с полусферической РК и плоской ИОС. Наибольшее значение тяги достигнуто в численных расчетах в схеме с близкой к полусферической ИОС и почти плоской РК и соответственно ВЧ индуктором. Анализ распределений ne и Te при данной конфигурации двигателя выявил заметное увеличение ne во всем объеме, а также, что важно, сдвиг максимума зоны ионизации к поверхности РК. Это привело к существенному увеличению эффективного ионизационного объема (ЭИО) разряда. Ионы, рождающиеся в этом объеме, движутся в сторону электродов ИОС, а не на стенки РК, и могут дать вклад в итоговую тягу двигателя. Выпадение же на стенки РК компонентов плазмы разряда является основным механизмом потерь входной ВЧ мощности в двигателях ВЧ ИД. С точки зрения исполнителей проекта такое объяснение полученных результатов численных расчетов вполне корректно и укладывается в существующие представления об индуктивном разряде в низкотемпературной плазме, используемой в ионных двигателях упомянутых схем. Основная идея предстоящего исследования вытекает из утверждения, что в схемах ионных двигателей вообще и в схеме ВЧ ИД, в частности, для увеличения эффективного ионизационного объема (ЭИО) со всеми вытекающими из этого преимуществами необходимо стремиться максимально сдвинуть зону ионизации в сторону, противоположную ИОС, т.е ближе к РК. По результатам выполненных расчетов подготовлена статья для публикации в журнал Письма в ЖТФ (переводная версия имеет квартиль Q2 в Scopus), являющийся российским аналогом известного журнала Applied Physics Letters. Текст статьи приведен в файле с дополнительной информацией п.4.13. Суммируя вышеизложенное можно кратко сформулировать содержание проекта следующим образом. Решается оптимизационная задача определения наилучшей геометрии конструкций основных элементов двигателей перспективной схемы ВЧ ИД - разрядной камеры, электродов ионно-оптической системы и ВЧ индуктора. Критерием оптимизации является тяга. Оптимизация проводится на широком классе поверхностей основных элементов ВЧ ИД - от плоских до существенно выпуклых, вплоть до полусферических. Ожидается увеличение тяги по сравнению с применяемыми схемами RIT на величины порядка 50% и более. Как следствие мы ожидаем улучшения эксплуатационных интегральных характеристик двигателя, а именно: увеличения эффективности использования рабочего тела, увеличения тягового КПД, уменьшения цены ионного тока, снижения удельной массы двигателя (деленной на тягу) и других характеристик. В случае успеха Проекта можно предложить отличную от существующей практику проектирования двигателей ИД вообще и ВЧ ИД, в частности. После определения объема плазменного разряда в создаваемой конструкции следует ввести этап выбора формы конструкции, которая для различных объемов (мощности) двигателя, вообще говоря, будет различной. Т.е. для каждого объема двигателя следует проводить оптимизационные расчеты его формы, аналогичные предлагаемым в Проекте. Предлагаемый подход построения оптимизированной конструкции может быть применен и к более распространенной в России и в мире схемы ионных двигателей на постоянном токе (ИДПТ). Данная схема традиционно имеет много общего со схемой ВЧ ИД – тот же механизм извлечения и ускорения ионов с использованием ионно-оптической системы, состоящей из перфорированных отверстиями электродов; те же варианты форм газоразрядных камер - полусферическая, цилиндрическая, коническая и т.п. В обоих схемах используется разряд низкотемпературной плазмы со значениями концентрации и температуры электронов ne и Te одного порядка. Однако в схеме ИДПТ сложнее управлять топологией самосогласованного электростатического поля, поскольку отсутствует ВЧ индуктор, который в схеме ВЧ ИД в значительной мере определяет топологию зоны ионизации и соответственно топологию самосогласованного поля. В случае достижения поставленной цели и получения заметного прогресса в численных показателях технических характеристик будут разработаны прототипы двигателей ВЧ ИД новой конструкции, которые можно будет представить для дальнейшей разработки и производства ведущим производителям космической техники в России. Будет достигнут приоритет России в технологии ВЧ ИД (RIT), а сама схема двигателя станет более конкурентно способной по сравнению с другими схемами электроракетных двигателей.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения работ по проекту будет доработана двумерная физико-математическая модель высокочастотного разряда с применением дополнительного магнитного поля для расчета локальных параметров плазмы в ВЧИД и выбора его основных конструкционных размеров - разрядной камеры , ионно-оптической системы и ВЧ индуктора. Особенностью данной модели будет являться наиболее полная увязка электрофизических параметров ВЧ-индуктора, формы разрядной камеры, ионно-оптической системы и двигателя в целом. Оптимизационные расчеты планируется выполнить для двигателей ВЧИД малой и средней мощности с размерами выходного ионного пучка от 5 до 16 см. Результатом предварительного расчетного моделирования будут оптимальные конструкции перспективного ВЧ ионного двигателя с различными мощностями. В случае успеха в разработке расчетной модели ее модификация может быть применена и для плазменного разряда в ионных двигателей Кауфмана на постоянном токе. Модификация может быть выполнена за счёт введения в рассмотрение потоков электронов, инжектируемых в разряд, и выключения ВЧ поля. Постоянное магнитное поле в разрабатываемой расчетной модели также присутствует. Его топология подлежит исследованию, а при необходимости может быть задана. Такая обобщенная расчетная модель может быть весьма полезна, учитывая, что двигатели Кауфмана с одной стороны похожи на ВЧ ионные двигатели, а с другой являются наиболее распространенными в мире ионными двигателями и широко используются как за рубежом (NASA, ESA), так и в России. Предварительные расчеты показали, что следует ожидать вида оптимальной конструкции с большой кривизной выпуклых электродов ИОС и почти плоской разрядной камерой. В результате серии оптимизационных расчетов тяги будут определены наилучшие геометрии конструкций концепта для различных типаразмеров. Как указано выше, большая кривизна ИОС в мире ранее не рассматривалась. В случае подтверждения ожидаемых результатов возникнет вопрос о разработке технологии проектирования и изготовления сильно выпуклых электродов, которая является новой в мировой практике. Общим результатом предлагаемого исследования будет компьютерная модель прототипа ВЧ ионного двигателя следующего поколения, имеющего принципиально иной облик, и в которой будут заложены оригинальные конструктивные решения. В случае успеха в исследовании и достижении поставленной цели - оптимизации положения зоны ионизации в индуктивном разряде в применении к ВЧ ИД - будут достигнуты повышенные удельные технические характеристики по тяге, эффективности использования рабочего тела и энергоэффективности двигателей ВЧ ИД в целом. Это позволит как в России, так и в мире усилить позиции технологии ВЧ ИД по сравнению с технологией ИД ПТ Кауфмана. Данное технологическое соперничество в мире продолжается не менее сорока лет. Успешное развитие технологий ВЧ ИД станет весомым аргументов в пользу выбора данной схемы наряду с её изначальными преимуществами, которые и обуславливали создание схемы ВЧ ИД профессором Хорстом Лёбом еще в 60-е годы прошлого столетия. Основным преимуществом схемы Лёба по сравнению со схемой Кауфмана является относительная простота конструкции, а именно: отсутствие электродов в разрядной камере и отсутствие сильноточного катода, необходимого для инжекции горячих электронов в разряд. Для удержания последних в разряде приходится использовать сложную магнитную систему, размещаемую в камере, что приводит к определенным конструктивным проблемам в этой схеме. Таким образом, качественный скачок в развитии двигателей схемы ВЧ ИД может изменить соотношение технологий на международном рынке услуг по производству и использованию двигателей малой тяги. В случае достижения поставленных целей Проекта перспективный облик ВЧ ИД будет рассмотрен в качестве объекта патентования. Отметим также наземное использование ВЧ ионных источников. Они применяются в технологиях точной обработки поверхностей, применяемых, например, в микроэлектронике. С конца 70-х годов прошлого века известно семейство технологических источников RIM, Германия (J. Freisinger, H.W. Loeb et al. // Rev. Sci. Instrum. 63 (4), April 1992). Кроме этого еще можно отметить планируемое использование ионных источников для инжекции ионов в реакторах ТОКАМАК управляемого термоядерного синтеза. Такие устройства разрабатываются и в мире и в России. Соответственно результаты, которые будут достигнуты в Проекте, позволят использовать полученные наработки и в наземных технологиях. Надо отметить, что наземные условия применения тех или иных ионных технологий существенно легче. Поэтому в первую очередь, развитие и соперничество технологий происходит именно при производстве космической техники, и лишь потом на основе приобретенных опыта разрабатываются наземные технологии. Именно поэтому в случае достижения повышенных показателей эффективности производства ионного тока в предлагаемой ВЧ технологии будет рассмотрен вопрос о изготовлении в МАИ лабораторной модели прототипа предлагаемого концепта. Данная модель в дальнейшем может быть предложена для доработки до летного образца предприятиям космической промышленности.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ