Распределение нейтрального газа в двигателе с анодным слоем

В статье проводится исследование распределения нейтрального газа в анодном узле двухступенчатого холловского двигателя. В результате численного расчета методом конечных элементов рассмотрены несколько вариантов конструкции анодного узла двигателя; рассчитаны параметры потока газа для каждого случая; подсчитаны неоднородности потока по азимуту на входе в разрядные ступени. Представлена наиболее оптимальная геометрия анодного узла для стабильной работы двигателя.

Ключевые слова: электроракетный двигатель, метод конечных элементов, холловский двигатель, анодный узел, распределение нейтрального газа, плазма.

Исследования и разработка электроракетных холловских двигателей, основанных на движении электронов в скрещенных электромагнитных полях, были начаты еще в середине 60- х годов прошлого века и продолжаются до настоящего времени. Такие двигатели нашли широкое применение как маршевые двигатели малой тяги на космических аппаратах, а также для корректировки орбит геостационарных спутников [1,2]. Модифицированная схема холловского двигателя используется в качестве технологического источника ионов [3].

Еще на первом этапе разработки выделились две схемы холловского двигателя. Одна из которых имела металлические стенки разрядной камеры — двигатель с анодным слоем (ДАС), другая — диэлектрические стенки — стационарный плазменный двигатель (СПД).

Одной из наиболее перспективных модификаций ДАС является его двухступенчатая схема. Основная отличительная особенность этого двигателя состоит в том, что в нем разнесены области ионизации и ускорения ионов. Это позволяет устранить недостатки одноступенчатой модели: неравномерность распределения пучка ионов по энергиям и высокая теплонагруженность анода [4]. Из-за различия масс и кинетических энергий ионов, особенно для рабочих веществ с низкими атомными массами и газовых смесей, происходит расхождение и азимутальная закрутка пучка ионов. Следствием чего является потеря тягового КПД двигателя. Для решения проблемы азимутального поворота ионов применяют дополнительную компенсационную магнитную систему [5–7].

Большое количество статей об исследовании процессов, происходящих в электроракетных двигателях, посвящены параметрам разряда, конфигурации магнитных полей, эрозии электродов, распределению плотности плазмы и ионному току. Однако, динамике и распределению нейтрального газа в анодном узле в литературе уделено мало внимания [8,9], хотя, для стабильной работы двигателя на стационарных режимах необходима высокая азимутальная однородность распределения атомов рабочего вещества на входе в анодный узел разрядной ступени. Динамика рабочего газа обычно описывается такими параметрами, как распределение плотности частиц, скорость и поток нейтральных атомов, которые непосредственно связаны с различными параметрами плазмы. Оптимальное распределение рабочего вещества может положительно повлиять на производительность, срок службы и стабильность работы двигателя.

В данной работе исследовался двухступенчатый двигатель с анодным слоем (ДАС), имеющий дополнительную магнитную систему для компенсации азимутального поворота ионов (рис.1).

Рис. 1. Принципиальная схема двухступенчатого ДАС: 1 — полюса магнитопровода; 2 — магнитопровод; 3 — компенсационная катушка; 4 — основная катушка; 5 — анодный узел; 6,7 — кольцевые электроды; 8 — анод первой ступени; 9 — изоляторы токоподвода

Анодный узел (рис. 1) двигателя служит одновременно как положительным электродом, так и газовым распределителем. Его геометрия имеет существенное влияние на динамику потока нейтральных атомов в разрядной камере. Из-за особенности конструкции, в газораспределительном канале содержится три изолятора, расположенные под углом 120⁰ относительно друг друга. Эта особенность приводит к усложнению геометрии электродного узла, а также к возможности «запирания» газа в областях между изоляторами.

В ходе исследования рассматривалось влияние системы подачи газа и геометрии анодного узла на равномерность распределения потока нейтральных атомов на входах и выходах ступеней двигателя. Был поставлен численный эксперимент в котором двигатель находился в условиях вакуума (порядка 10–⁵ Па). Рабочим газом был аргон, с молекулярной массой M= 0,0399 кг/моль, который подавался в анодный узел посредством штуцеров, с массовым расходом кг/с. При рассмотренном давлении длина свободного пробега гораздо больше, чем размеры канала, поэтому течение газа рассматривалось как свободно молекулярное. При этом число Кнудсена много больше единицы, атомы газа взаимодействуют с стенками канала чаще, чем между собой, и поток газа определяется в основном столкновениями с поверхностями.

Расчет производился методом конечных элементов. Предполагалось, что поток квазистационарный, время пролета частиц через геометрию гораздо больше, чем изменение всех потоков, на каждом временном шаге частицы поступают из источника мгновенно.

На границы канала накладывалось условие равенства между входящим потоком и потоком, отраженным от стен канала.

Рис. 2. Геометрия и поперечное сечение канала с одним штуцером

Геометрия канала разбивалась на множество треугольных элементов, образуя тем самым сетку, в узлах которой находилась искомая величина. Размер наименьшего элемента выбирался примерно одинаковым во всех случаях расчета, области близкие к входным и выходным сечениям анодных ступеней имели более густую сетку (рис. 3). Определялись входящие и исходящие потоки,плотность и давление.

Рис. 3. Вид конечно-элементной сетки

Были рассмотрены три вида геометрии анодного узла (рис. 4 а-в), с различным числом и расположением входных штуцеров.

Рис. 4. Расположение штуцеров при расчете

На первом этапе исследования рассматривалась геометрия с одним входным штуцером, расположение которого показано на рис. 4а. Для оценки распределения газа и параметров потока были вычислены значения всех искомых величин на входах и выходах с ускоряющей и ионизационных ступеней.

Рис. 5. Распределение потока газа в анодном узле

Для такой конструкции (рис. 4а) наблюдается сильная неоднородность потока частиц по азимуту как на первой ступени двигателя, так и на второй, что связано с практически полным «запиранием» газа в одной из областей между изоляторами (рис. 5)

Рис. 6. Распределение давления на входе в ионизационную ступень

Зазоры между изоляторами и стенками двигателя не справляются с перераспределением газа между областями, что негативно скажется как на поджиге разряда, так и выходе двигателя на стационарный режим. Так же из-за сильной неравномерности газа происходит повышение давления (рис. 6) в области «запирания», что приведет к пробою [10].

Для решения проблемы с «запиранием» газа между изоляторами были рассмотрены варианты анодного узла с тремя точками газоввода и расширением канала вблизи изоляторов. Первый вариант имел штуцеры расположенные с учетом упрощения технологических операций при производстве двигателя (рис. 4б). В другом, штуцеры располагались максимально симметрично относительно друг друга, при этом стенки канала вблизи изоляторов были расширены (рис. 4в).

Геометрия с тремя штуцерами позволяет значительно увеличить равномерность потока нейтральных атомов. При этом неравномерность распределения потока на входе в разрядную ступень составляет 56 % от среднего значения. Так же в результате анализа была выявлена область А (рис. 4б), в которую газ поступает в меньшем количестве. Эта область дает ощутимый вклад в неравномерность потока рабочего газа.

В комбинированном варианте анодного узла была минимизирована область запирания А (рис. 4в), в которой наблюдался недостаток газа. Такая геометрия повысила равномерность потока примерно на 10 %.

На рис.7 изображены распределения потока частиц на входе в разрядную ступень при двух вариантах геометрии газодинамического канала с использование трех штуцеров. Штрих-пунктиром показан график, геометрия которого сочетает, как использование трех точек ввода газа, так и увеличение канала вокруг изоляторов. Сравнительный график показывает, что наиболее оптимальной геометрией анодного узла двигателя является комбинированная схема.

Заключение

В результате анализа численного расчета была выбрана наиболее оптимальная геометрия канала, по которому рабочий газ поступает к анодному узлу. Критерием выбора была равномерность распределения параметров потока по азимуту вблизи входа в ступени анодного узла. Наименьшая неравномерность потока частиц в указанных областях была выявлена для геометрии с тремя штуцерами и увеличенным пространством между изоляторам. Неравномерность для оптимальной геометрии составляет 47 %.

Литература:

1. Гришин С. Д., Лесков Л. В., Козлов Н. П. Электрические ракетные двигатели» М.:«Машиностроение, 1975.
2. Архипов А. С., Ким В. П., Сидоренко Е. К. Стационарные плазменные двигатели Морозова М.:Издательство МАИ, 2012.
3. Духопельников Д. В., Воробьев Е. В., Ивахненко С. Г. Исследование и оптимизация характеристик ионного источника ИИ-200. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2011. № 10. С. 77.
4. Sengupta A., Cappelli M., Tverdokhlebov S. An overview of the VHITAL program: Two-stage bismuth fed very high specific impulse thruster with anode layer. IEPC-2005–238, 29th International Electric Propulsion Conf. 2005. P. 1–13.
5. Марахтанов М. К., Духопельников Д. В., Ивахненко С. Г., Воробьев Е. В., Крылов В. И. Влияние азимутального отклонения ионов плазменной струи на тяговый кпд двигателя с анодным слоем. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2012. № 12. С. 17.
6. Духопельников Д. В., Ивахненко С. Г. Влияние азимутального отклонения ионов на форму пучка двигателя с анодным слоем. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2012. № 10. С. 12.
7. Воробьев Е. В., Духопельников Д. В., Ивахненко С. Г., Марахтанов М. К. Потеря тяги в двигателях с анодным слоем за счет азимутальной закрутки ионов. 2011. № SP3. С. 58–63.
8. Reid, B. M. and Gallimore, A. D., Review of Hall Thruster Neutral Flow Dynamics, 30th
9. International Electric Propulsion Conference, IEPC-2007–038, Florence, Italy, Sept. 17–20, 2007.
10. Reid, B. M., Gallimore, A. D., Hofer, R. R., Li, Y. and Haas, J. M., Anode Design and Verification for a 6-kW Hall Thruster, JANNAF Journal of Propulsion and Energetics, 2, 1, 2009.
11. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. Научное издание. 3-е изд., испр. и доп. -Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2009. -736 с.