ВЧ разряд низкого давления как рабочий режим перспективных моделей электроракетных двигателей

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы физики газового разряда, связанной с изучением на основе комплексных исследований параметров неравновесной плазмы высокочастотных разрядов, условий возбуждения волн, механизмов поглощения высокочастотной мощности, построения самосогласованной модели разряда с учетом наличия устройств, используемых для создания и поддержания разряда, а также на поиск путей оптимизации параметров перспективных моделей электроракетных двигателей, рабочий процесс которых основан на ВЧ разряде. Развитие телекоммуникационных систем, транспортных операций на околоземных орбитах, требуют модернизации известных и разработки новых моделей электроракетных двигателей, обладающих высоким временем жизни, удельным импульсом, энергоэффективностью и возможностью работы не только на инертных газах, но и на воздухе. Одними из кандидатов для организации рабочего режима перспективных моделей ЭРД являются модификации высокочастотного разряда, в том числе при наличии внешнего магнитного поля. Преимущества высокочастотного разряда хорошо известны. Разряд может быть организован, как в инертных, так и химически активных газах без контакта электродов с разрядом. Кроме того, разряд не требует наличия катода. В рамках проекта предполагается проанализировать возможность использования различных модификаций ВЧ разряда в качестве рабочего процесса перспективных моделей ЭРД: ВЧ индуктивного ионного двигателя, ВЧ аналога СПД и ВЧ источника плазмы с соплом, предназначенным для истекания плазмы в вакуум. Это определяет актуальность работы. Проект в целом и в отдельных его частых обладает научной новизной. Индуктивный ВЧ ионный двигатель хорошо известен. Его работа обеспечивается ВЧ током синусоидальной формы, текущим по индуктору. В рамках проекта предполагается изучить возможность повышения энергоэффективности ВЧ индуктивного ионного двигателя за счет оптимизации формы импульса тока, текущего по индуктору. Такая работа применительно к ионным двигателям ранее не проводилась. ВЧ аналог СПД является оригинальной разработкой авторов. Основываясь на аналогии между разрядом постоянного тока и емкостным ВЧ разрядом, авторами проекта был организован рабочий процесс в двигателе на основе емкостного ВЧ разряда. В такой схеме ВЧ напряжение прикладывается между электродами, геометрически расположенными на месте анода и катода модели СПД, работающей на разряде постоянного тока. Известно, что в емкостном ВЧ разряде рядом с электродами формируются слои пространственного разряда, в которых наблюдается квазистационарное падение потенциала, ускоряющее ионы в направлении электродов. На основании математического моделирования было показано, что в области падения потенциала при наличии радиального магнитного поля возможно возникновение азимутального дрейфа электронов так же, как это происходит в разряде постоянного тока. Ионы под действием квазистационарного электрического поля при этом ускоряются в направлении из канала. Предварительные эксперименты показали возможность получения в ВЧ аналоге СПД потоков ионов с энергией 70 – 300 эВ при использовании не только инертных газов, но и воздуха. Задачей проекта является оптимизация работы устройства на основе изучения параметров плазмы в канале, энергии ионов в струе, комплексного импеданса разряда в зависимости от внешних условий его поддержания. ВЧ индуктивный источника плазмы с соплом, предназначенным для истекания плазмы в вакуум и создания тяги, известен в литературе под названием геликонный двигатель. В рамках проекта предполагается исследовать модель маломощного (до 300 Вт) двигателя с внешним магнитным полем (до 200 Гс) в зависимости от внешних параметров разряда: мощности, расхода рабочего газа, величины внешнего магнитного поля, а также конструктивных особенностей модели двигателя. Физической особенностью разряда является тот факт, что возбуждаемые в разряде волны не сводятся к геликонам так, как это происходят при вкладываемых в плазму мощностях порядка 1 кВт и магнитных полях порядка 1 кГс. В связи с этим, особое внимание предполагается уделить измерению и расчету ВЧ полей и волн, генерируемых в модели двигателя, и закономерностям энерговклада. Немаловажной составляющей проекта является анализ механизмов ускорения ионов на выходе из модели.