Geometry Design Optimization of High-Frequency Ion Thrusters and Ion Sources

V. K. Abgaryan; Абгарян В. К.; A. V. Melnikov; Мельников А. В.; A. Yu. Kupreeva; Купреева А. Ю.; O. D. Peisakhovich; Пейсахович О. Д.

doi:10.31857/S1028096023050023

Оптимизация геометрии конструкции высокочастотных двигателей и ионных источников

Авторы: Абгарян В.К.¹, Мельников А.В.¹, Купреева А.Ю.¹, Пейсахович О.Д.¹
Учреждения:
1. Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института (национального исследовательского университета)
Выпуск: № 5 (2023)
Страницы: 103-112
Раздел: Статьи
URL: https://journal-vniispk.ru/1028-0960/article/view/137760
DOI: https://doi.org/10.31857/S1028096023050023
EDN: https://elibrary.ru/KUZDAY
ID: 137760

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

В статье изложены результаты расчетов оптимальной геометрии конструкции одного из типов источников квазинейтральной плазмы. Рассмотрена схема ионного источника с индуктивным разрядом плазмы, образуемым и поддерживаемым с помощью высокочастотного электромагнитного поля с частотой порядка 1 МГц. С помощью численного моделирования проведена совместная оптимизация профилей поверхностей основных узлов конструкции, а именно разрядной камеры и электродов ионно-оптической системы. Расчеты выполняли с помощью разработанной ранее инженерной модели индуктивного разряда в плазме. Критериями оптимизации являлись тяга и величина извлекаемого из источника ионного тока, определяемые из расчетных распределений электронной плотности и температуры электронов в объеме разрядной камеры. Оптимизационные расчеты проведены для ионного источника диаметром 16 см с разрядными камерами, поверхность которых имеет форму сегментов сферы. Результаты расчетов тяги представлены в сравнении с величинами, рассчитанными для базовой конфигурацией схемы ионного источника с полусферической разрядной камерой и плоской ионно-оптической системой. Получено существенное увеличение величины извлекаемого ионного тока и тяги в найденной оптимальной конфигурации ионного источника.

Ключевые слова

высокочастотный источник ионов, низкотемпературная плазма, разрядная камера, электроды ионно-оптической системы, высокочастотный индуктор, моделирование.

Список литературы

Kanarov V., Hayes A.V., Yevtukhov R., Vidinsky B., Navy A. // Rev. Sci. Instrum. 1998. № 69. P. 874. https://www.doi.org/10.1063/1.1148742
Jet Propulsion Laboratory NASA. 2003. https://www.jpl.nasa.gov/missions/hayabusa Cited 10 April 2022
Jet Propulsion Laboratory NASA. 1998. https://www.jpl.nasa.gov/missions/deep-space-1-ds1 Cited 10 April 2022
Van Noord J. // In 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. 2007. P. 5218. https://www.doi.org/10.2514/6.2007-5218
Van Noord J., Herman D. // In 44th AIAA/ ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. 2008. P. 4526. https://www.doi.org/10.2514/6.2008-4526
Васин А.И., Коротеев А.С., Ловцов А.С., Муравлев В.А., Шагайда А.А., Шутов В.Н. // Труды МАИ. 2012. Т. 60. С. 8.
Herman D.A. // 57th Joint Army-Navy-NASA-Air Force (JANNAF) Propulsion Meeting. 2010. No. E-17447.
Антропов Н.Н., Ахметжанов Р.В., Балашов В.В., Богатый А.В., Дьяконов Г.А., Могулкин А.И., Обухов В.А., Плохих А.П., Попов Г.А. // Тезисы 14-й Международной конференции “Авиация и космонавтика-2015”. 2015. С. 141.
Tsukizaki R., Ise T., Koizumi H., Togo H., Nishiyama K., Kuninaka H. // J. Propulsion and Power. 2014. V. 30. № 5. P. 1383. https://www.doi.org/10.2514/1.B35118
Foster J., Haag T., Kamhawi H., Patterson M., Malone S., Elliot F. // In 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. 2004. P. 3812. https://www.doi.org/10.2514/6.2004-3812
Loeb H. // Astronautica Acta. 1962. V. 8. № 1. P. 49.
Abgaryan V.K., Nadiradze A.B., Semenov A.A., Troshin A.E. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. V. 13. 2019. № 6. P. 1054. https://www.doi.org/10.1134/S102745101906003X
Goebel D.M., Katz I. // Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall. N.Y.: John Wiley & Sons, 2008. P. 100.
Абгарян В.К., Леб Х.В., Обухов В.А., Шкарбан И.И. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2012. № 8. С. 70.
Канев С.В., Кожевников В.В., Хартов С.А. // Известия РАН. Энергетика. 2017. Т. 3. С. 21.
Cifali G., Misuri T., Rossetti P., Andrenucci M., Valentian D., Feili D., Lotz B. // 32nd International Electric Propulsion Conference. 2011. № 11. P 15.
Девдариани А.З., Артамонова А.О., Беляев А.К. // Письма в ЖТФ. 2020. Т. 46. Вып. 4. С. 45. https://www.doi.org/10.21883/PJTF.2020.04.49051.17990
Абгарян В.К., Ахметжанов Р.В., Леб Х.В., Обухов В.А., Черкасова М.В. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2013. №11. С. 82.
Balashov V., Cherkasova M., Kruglov K., Kudriavtsev A., Masherov P., Mogulkin A., Obukhov V., Riaby V., Svotina V. // Rev. Sci. Instrum. 2017. V. 88. № 8. P. 083304. https://www.doi.org/10.1063/1.4998247
Holste K., Dietz P., Scharmann S., Keil K., Henning T., Zschätzsch D., Reitemeyer M., Nauschütt B., Kiefer F., Kunze F., Zorn J., Heiliger C., Joshi N., Probst U., Thüringer R., Volkmar C., Packan D., Peterschmitt S., Brinkmann K.-T., Zaunick H.-G., Thoma M.H., Kretschmer M., Leiter H.J., Schippers S., Hannemann K., Klar P.J. // Rev. Sci. Instrum. 2020. V. 91. P. 061101. https://www.doi.org/10.1063/5.0010134
Мельников А.В., Хартов С.А. // Известия РАН. Энергетика. 2018. Т. 3. С. 4.
Kanev S., Melnikov A., Nazarenko I., Khartov S. // IOP Conference Series: Mater. Sci. Engineer. 2020. P. 012010. https://www.doi.org/10.1088/1757-899X/868/1/012010
Porst, J.P., Kuhmann J., Kukies R., Leiter H. // In Proceedings of the 34th International Electric Propulsion Conference. 2015.
Leiter H.J., Kukies R., Porst J.P., Kuhmann J., Berger M, Rath M., // In 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. 2014. P. 3421. https://www.doi.org/10.2514/6.2014-3421
Porst J.P., Altmann C., Arnold C., Kuhmann J., Syring C., Leiter H.J., Berger M., Scholze F., Eichhorn C., Bundesmann C. // 35th International Electric Propulsion Conference. 2017.