Физические принципы работы та принципиальные схемы плазменно-ионных двигателей

Билет №10

21.Физические принципы работы та принципиальные схемы плазменно-ионных двигателей.

Описание общих черт плазменно-ионного движителя необходимо для детального анализа механизмов, определяющих работу ПИД и его конструктивные особенности.

Схема плазменно-ионного движителя приведена на рисунке 1.1

Конструктивно ПИД состоит из следующих основных узлов: газоразрядной камеры (ГРК), ионно-оптической системы (ИОС), магнитной системы и двух катодов-компенсаторов, которые расположенные на выходе ускорителя.

Газоразрядная (ионизационная) камера является основной несущей конструкцией ПИД. В объеме газоразрядной камеры происходит ионизация рабочего газа.

Внутри ГРК расположены: катодный и анодный узлы с элементами магнитопровода. Катодный узел представляет собой корпус, в котором располагается полый катод. Анодный узел включает анодный коллектор и непосредственно дисковый анод. Магнитная система предназначена для создания магнитного поля в объеме ГРК. В ПИД реализована схема с радиальным магнитным полем. Магнитная система ПИД состоит из катушек и магнитопроводов.

Подача в ГРК рабочего газа проходит через катодный и анодный узлы.

Разноименно заряженные частици разделяются при прохождении через ускоряющею систему,а потом ускоряются. При этом положительно заряженные частицы (ионы) разгоняются до заданной скорости под действием постоянного электрического поля, а отрицательно заряженные частицы (электроны) уходят на анод. Из ускорителя выходит поток ионов.

Катод и анод электрически оторваны от корпуса ГРК. Между катодом и анодом ГРК прикладывается разрядное напряжение и при наличии в объеме ГРК рабочего газа там происходит ионизация. Источником первичных электронов является полый катод. В пространстве между катодом и анодом под действием электрического и магнитного полей движутся свободные электроны, в результате соударений которых с атомами происходит ионизация рабочего газа. Образовавшиеся вторичные электроны в свою очередь разгоняются в поле ионизационной камеры и участвуют в ионизации атомов. Образовавшиеся в ГРК ионы ускоряются в ионно-оптической системе.

В ПИД применена двухэлектродная ИОС. Электроды ИОС выполнены в виде сферически выпуклых перфорированных сеток. Первый электрод, называемый экранным, крепится непосредственно к торцу ГРК и находится с ГРК под одним положительным электрическим потенциалом. Второй электрод, называемый ускоряющим, крепится к торцу ГРК с помощью высоковольтных изоляторов и находится по отношению к аноду под отрицательным электрическим потенциалом. Между экранным и ускоряющим электродами установлен зазор ~ 1 мм.

Вытягивание ионов из ГРК происходит из – за электрическое поле ускоряющего электрода. Снаружи ПИД устанавливается газоразрядный полый катод-компенсатор, который поставляет электроны в выходящий пучок ионов и нейтрализует их пространственный заряд.

Газоразрядная камера через высоковольтные изоляторы крепится к корпусу ПИД. Корпус ПИД электрически изолирован от ГРК и ИОС и обычно находится под нулевым потенциалом.

В ионных двигателях тяга создается в результате ускорения положительно заряженных частиц рабочего тела (Xe) с последующей нейтрализацией их электронами.

Столкновения между ионами нечасты и поэтому не играют большой роли. Ионы ускоряются в направлении градиента потенциала плазмы. Часть ионов движется к экранному электроду, пересекает плазменный слой около экранирующего электрода и, ускоряясь, покидает ионно-оптическую систему, создавая тягу движителя. Оставшийся поток ионов идет на экранирующий электрод и катод

33.Задачи, которые решаются с использованием математического моделирования на различных стадиях разработки. Методический подход при решении энергобалансных, оптимизационных, проектных и проверочных задач(на примере моделирования солнечной автономной энергоустановки). Возможные алгоритмы и примеры результатов решения некоторых задач.

Проектирование СЭС проходит одновременно с проектированием КА в целом, начиная с самых ранних стадий. Это обусловлено как тесной связью параметров СЭС с характеристиками КА и их существенным влиянием на облик и компоновку КА, так и с сопоставимостью сроков разработки СЭС и КА .

Разработка СЭС состоит из следующих стадий разработки:

1 Согласование технического задания, на которой устанавливаются технические требования и характеристики, оговариваются условия эксплуатации накладываются ограничения на параметры. Разработка и использование при формировании ТЗ мат моделей СЭС, основанных на указанной информации, не только сокращает сроки формирования ТЗ на СЭС и ее элементы, но и позволяет оперативнее  формировать обусловленные уточнения ТЗ смежным организациям.

2 Техническое предложение, на которой анализируются возможные варианты системы, отвечающие требованиям ТЗ, осуществляется выбор состава и структура системы, оцениваются возможные диапазоны ее внутренних параметров и вырабатываются требованиям к агрегатам. ТП –область преимущественно мат моделирования, физ моделирование здесь возможно на уровне агрегатов или аналогов - БФ, БХ,  подсистем АРК. Подбираются различные мат методы оптимизации.