Разработка математических моделей микродвигателя с СВЧ-ускорителем рабочего тела

Объект исследования - электротермический микродвигатель корректирующей двигательной установки малого космического аппарата со сверхвысокочастотным нагревательным элементом. Цель выполнения НИР - разработка и проектирование энергоэффективного аммиачного электротермического микродвигателя для маневрирующих многоцелевых малых космических аппаратов различного назначения с бесконтактным нагревом рабочего тела сверхвысокочастотным электромагнитным излучением. За период реализации проекта была пересмотрена основная концепция разрабатываемого реактивного микродвигателя. На этапе формирования исходных данных изначально предполагалось термическое воздействие СВЧ-поля на рабочее тело - аммиак. Исходя из данной предпосылки, проектируемый микродвигатель должен был представлять собой модификацию электротермического микродвигателя, где изменён способ нагрева рабочего тела. В ходе работы, после экспериментальных исследований, представление о разработке изменилось. В настоящее время микродвигатель рассматривается как устройство, ионизирующее рабочее тело и ускоряющее его переменным электрическим полем. Таким образом, данная разработка относится в типу плазменных двигательных систем с соответствующими выходными характеристиками. На первом этапе работы был выполнен обзор генерирующих устройств, реализующих излучение СВЧ-диапазона. Выводом из этого обзора стал отказ от магнетронного способа в пользу СВЧ-генераторов на твердотельных полупроводниковых элементах. Также на первом этапе был представлен опыт работы автора в области проектирования и практической реализации двигательных установок на резистивных микродвигателях. Представлены данные по рабочему телу - аммиаку. Изначально предполагалось обеспечить тягу за счёт термической диссоциации аммиака вследствие увеличения объёма продуктов распада рабочего тела и изменения показателя адиабаты продуктов распада. Это всё вписывается в законы вязкостной газовой динамики. В ходе дальнейших исследований, в первую очередь благодаря экспериментам, газодинамическая составляющая в математической модели проектируемого микродвигателя свелась к расчёту теплообменных процессов в капиллярных газоводах системы охлаждения СВЧ-транзистора автогенератора. На втором этапе исследований был предложен отсечный дросселирующий клапан рабочего тела с дилатометрическим приводом, который выполняет функцию системы охлаждения автогенератора. Также была выбрана схема ускоряющей системы ионизированного рабочего тела, принята схема полицилиндрического резонансного ускорителя. С этого этапа важнейшей характеристикой рабочего тела является потенциал ионизации, а не чувствительность к диэлектрическому нагреву в СВЧ-поле. Актуальной задачей была проблема повышения эффективности ионизации аммиака в условиях низкой подводимой к автогенератору электрической мощности. Данная проблема была решена за счёт ионизации газа в объёмном цилиндрическом резонаторе, добротность которого позволяет обеспечивать большую плотность энергии при низкой мощности источника излучения. Источником излучения является коаксиальная ёмкостная антенна. На втором этапе были получены газодинамические математические модели теплообмена в дилатометрическом охлаждающем устройстве и электродинамические модели ускорения ионизированного пучка рабочего тела. Выполнен обзор ионных систем ускорения, и выбрана схема ускорения, максимально органичная проектируемому микродвигателю. На третьем этапе проекта были получены геометрические размеры прототипа микродвигателя с СВЧ-ускорением рабочего тела, выбраны электрические схемы автогенератора и предварительного ускорителя плазмы, линия связи между резонаторами. Получена математическая модель, позволяющая связать геометрические размеры объёмных резонаторов с величиной ускоряющего зазора и выходными характеристиками УМД. В итоге была получена 3D-модель УМД, позволяющая произвести эскизную конструкторскую документацию и изготовить экспериментальный прототип УМД. В ходе реализации проекта экспериментально было установлено, что тепловых эффектов в плазме рабочего газа не возникает, тепловые эффекты учитываются только в системе охлаждения СВЧ-транзистора.