Введение
1. Задачи исследования теплофизических процессов в высокочастотных ионных двигателях 15
1.1 Состояние работ в области высокочастотных ионных двигателей 15
1.2 Схема конструкции ВЧИД 18
1.3 Физические процессы в газоразрядной камере при ВЧ-разряде 19
1.4 Балансы частиц и мощности в плазме разряда
1.4.1 Затраты мощности на ионизацию и радиационные потери в разряде 22
1.4.2 Уравнения баланса ионов, электронов и мощности в разряде 25
1.4.3 Пристеночное падение потенциала 28
1.5 Теплофизические процессы в ионно-оптической системе 29
1.5.1 Формирование ионного пучка 30
1.5.2 Конфигурация и основные физические процессы в ИОС 30
1.5.3 Бомбардировка ускоряющего электрода ионами перезарядки
1.5.3.1 Вынос мощности на УЭ ионами из межэлектродного промежутка ИОС 32
1.5.3.2 Вынос мощности на УЭ ионами из области нейтрализации пучка 34
1.6 Исследования по разработке расчетных тепловых моделей в ВЧИД 35
1.6.1 Экспериментальные исследования тепловых процессов в ВЧИД 35
1.6.2 Расчетные тепловые модели для ВЧ ионных двигателей 38
1.6.3 Постановка задачи. Математическая модель тепловых процессов в ВЧИД 40
2. Моделирование нагрева элементов конструкции ВЧИД 45
2.1 Объект исследования 46
2.2 Сеточная модель ВЧИД 47
2.3 Уравнения для численного расчета температур узлов ВЧИД
2.3.1 Теплопроводные потоки между элементами сетки разбиения ВЧИД 49
2.3.2 Тепловые потоки из плазмы разряда на поверхности ВЧИД 50
2.3.3 Входные параметры численной модели, граничные и начальные условия 50
2.4 Потоки тепловой мощности на поверхности ВЧИД 52
2.4.1 Поток тепловой мощности на поверхности газоразрядной камеры 53
2.4.1.1 Пристеночное падение потенциала вблизи поверхности газоразрядной камеры...54
2.4.1.2 Поток мощности от ионов и электронов плазмы 53
2.4.2 Поток тепловой мощности на поверхность эмиссионного электрода ионно оптической системы 54
2.4.2.1 Пристеночное падение потенциала вблизи поверхности эмиссионного электрода .54
2.4.2.2 Плотности ионного тока на поверхности эмиссионного электрода
2.4.2.2.1 Плотность ионного тока в кольцевой области эмиссионного электрода 57
2.4.2.2.2 Плотность ионного тока в перфорированной области эмиссионного электрода 57
2.4.2.3 Тепловые потоки на эмиссионный электрод от ионов из плазмы азряда .58
2.4.2.3.1 Тепловой поток на кольцевую часть эмиссионного электрода 58
2.4.2.3.2 Тепловой поток от ионов на перфорированную часть эмиссионного электрода .59
2.4.3 Электронный ток и тепловой поток мощности на эмиссионный электрод от электронов из плазмы разряда 59
2.4.4 Поток тепловой мощности на ускоряющем электроде ионно-оптической системы 60
2.4.4.1 Мощность, падающая на ускоряющий электрод от вторичных ионов перезарядки 60
2.4.4.2 Дополнительный лучистый поток тепла, падающий на ускоряющий электрод с поверхности газоразрядной камеры .62
2.4.5 Лучистые тепловые потоки на поверхности газоразрядной камеры и электродов ионно-оптической системы от возбужденных атомов рабочего газа 62
2.4.6 Индукционные потери мощности на образование вихревых токов 63
2.4.6.1 Вихревые токи в индукторе 63
2.4.6.2 Потери ВЧ-мощности на вихревые токи в электродах ионно-оптической системы .64
2.4.7 Баланс ВЧ-мощности. Полезная часть ВЧ-мощности. 65
2.5 Упрощения и допущения в расчетной модели, принятые для сокращения объема вычислений 66
2.5.1 Упрощенная сетка разбиения ВЧ индуктора 66
2.5.2 Упрощенная сетка разбиения эмиссионного электрода и ускоряющего электрода 67
2.5.3 Учет теплового контактного сопротивления между элементами конструкции 68
2.5.4 Численный расчет температур в модельной конструкции ВЧИД – 16 70
2.5.5 Влияние зачернения эмиссионного электрода на температуры электродов ИОС 72
2.6 Заключение к главе 74
3. Численные расчеты температурных полей в ВЧИД различных размерностей 75
3.1 Расчет температур в элементах конструкции ЛО ВЧИД –16 76
3.1.1 Исходные данные по конструкции ЛО ВЧИД-16 76
3.1.2 Сетка разбиения численной модели ЛО ВЧИД – 16 78
3.1.3 Расчеты температур при Wвч = 200 Вт
3.1.3.1 Входные тепловые потоки 81
3.1.3.2 Результаты расчета температур 81
3.1.4 Расчеты температур при Wвч = 300 Вт 83
3.1.4.1 Входные тепловые потоки 83
3.1.4.2 Результаты расчета температур
3.1.5 Профили температур на эмиссионном и ускоряющем электродах ИОС 86
3.1.6 Выводы по результатам расчета температур 87
3.2 Расчет температур в элементах конструкции ВЧИД – 49 М 87
3.2.1 Исходные данные по конструкции ВЧИД – 49 М 87
3.2.2 Сетка разбиения численной модели ВЧИД – 49 М 90
3.2.3 Расчеты температур при Wвч = 2400 Вт
3.2.3.1 Входные тепловые потоки 91
3.2.3.2 Результаты расчета температур 91
3.2.4 Расчеты температур при Wвч = 2800 Вт 94
3.2.4.1 Входные тепловые потоки 94
3.2.4.2 Результаты расчета температур
3.2.5 Профили температур на эмиссионном и ускоряющем электродах ИОС 97
3.2.6 Заключение по тепловым расчетам ЛО ВЧИД – 16 и ВЧИД – 49 М 98
3.3 Расчет температур в двигательной установке ВЧИД ММ 98
3.3.1 Конструкция ВЧИД ММ 99
3.3.2 Технические характеристики ВЧИД ММ 100
3.3.3 Общая схема теплового моделирования 101
3.3.4 Расчет температур в отдельных частях конструкции
3.3.4.1 Методика и результаты расчета температур в блоке БУГР и СПУ с ВЧГ 103
3.3.4.2 Методика и результаты расчета температур в двигательном блоке
3.3.4.2.1 Граничные условия .106
3.3.4.2.2 Начальные условия .106
3.3.4.2.3 Входные потоки 106
3.3.4.2.4 Результаты расчета температур в двигательном блоке 107
3.3.4.3 Методика и результаты расчетов в верхней части конструкции ВЧИД ММ
3.3.5 Температуры узлов в общей конструкции ВЧИД ММ 114
3.3.6 Выводы по тепловым расчетам ВЧИД ММ 116
4. Экспериментальноеисследование температурных полей в образцах ВЧИД, сравнение экспериментальных и расчетных распределений температуры 117
4.1 Методика исследования температурных полей в ВЧИД 117
4.2 Методика предварительного определения теплофизических параметров материалов конструкции ВЧИД
4.2.1 Определение индикатрисы теплового излучения с поверхностей ВЧИД и степени черноты материалов конструкции ВЧИД 120
4.2.2 Результаты определения степени черноты материалов 124
4.3 Методика и результаты измерения температурных полей на внешних поверхностях ГРК и ускоряющего электрода ИОС 126
4.3.1 Измерения температур в ЛО ВЧИД-16 126
4.3.2 Результаты измерения температур в ЛО ВЧИД-16 128
4.3.3 Измерения температурных полей в ДБ ВЧИД ММ 129
4.3.4 Результаты измерения температур в ДБ ВЧИД ММ 131
4.4 Сравнение измеренных и расчетных температур 133
4.5 Выводы раздела 4 134
Заключение. 135
Список литературы
