Разработка и оптимизация плазменных двигателей с использованием суперкомпьютерных технологий

Тематика проекта лежит в ракетно-космической отрасли и связана с разработкой и исследованием процессов в электрореактивных двигателях, а именно, стационарных плазменных двигателях (СПД), применяемых на космических аппаратах различного назначения, методами математического моделирования и численных экспериментов на их базе с использованием суперкомпьютерных технологий. Обсуждаемые космические аппараты выполняют целый ряд задач на орбите Земли и в открытом космосе, решая спектр технических, научно-исследовательских и коммерческих задач. Примерами таких задач являются дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ), автоматические идентификационные системы (АИС) для организации судоходства, спутниковая связь, интернет вещей (IoT), реализация концепции NTN (non-terrestrial networks – неназемные станции), мониторинг Земной и космической (включая солнечную) погоды, проверка гипотез и научные исследования различных астрофизических явлений. Назначением плазменного двигателя является коррекция и изменение орбиты, маневрирование отдельно взятых аппаратов, построение и поддержание оптимальной конфигурации многоспутниковых группировок, увод с орбиты в атмосферу аппарата по истечении срока активного существования в решении проблемы космического мусора, маршевое движение. Для эффективной разработки новых прототипов и модификации уже существующих СПД используется математическое моделирование происходящих в них процессов и проведение на их базе вычислительных экспериментов, что позволяет выявить качественные и количественные оценки и закономерности в протекающих процессах, которые далее используются в инженерной реализации обсуждаемой технологии. Данные подходы сопряжены с разработкой физико-математических моделей исследуемых явлений, алгоритмической и численной реализации их решения в программных кодах с применением технологий распараллеливания, проведением серий высокопроизводительных расчетов для получения прикладных выводов. Внимание проекта будет направлено на конкретную разновидность плазменных двигателей, а именно, на стационарный плазменный двигатель (СПД). Это устройство с 1971 года используется на ИСЗ, и в настоящее время образцы этой технологии серийно производятся в ОКБ «Факел», а также разрабатываются в АО ГНЦ «Центр Келдыша». Несмотря на наличие готовых лабораторных и серийных образцов данных устройств, существует потребность в понимании физических процессов и особенностей в работе этих двигателей, среди которых определение оптимальных режимов ускорения потока, влияние геометрических и технических параметров двигателя на его полезные характеристики, распределение тепловых нагрузок на конструкционные элементы, развитие различных неустойчивостей. Цель проекта заключается в создании теоретически и численно обоснованного инструмента предсказания характеристик ускорительного канала двигателя для заданного диапазона параметров установки, включая геометрию канала и конфигурацию внешней магнитной системы. Его задачами при этом является анализ зависимостей известных режимов ускорения от параметров установки (сопротивления канала, э.д.с. источника питания, коэффициента скорости ионизации и т.д.), исследование устойчивости плазменных течений относительно малых возмущений, особенно радиальной и азимутальной неустойчивостей, возникающих за счёт пристеночных процессов, исследование физики упругих столкновений частиц и процессов, происходящих у стенок конструкции. Наряду с исследовательскими задачами для увеличения тяговых характеристик и ресурса службы двигателя, также требуют решения и специфически инженерно-физические задачи, к которым относятся вопросы разлёта плазмы, поступающей через сопло плазменного двигателя в вакуум, а также вопросы взаимодействия плазмы с поверхностью, определяющие режимы распыления материальных поверхностей потоком ионов, поступающих из области плазменного разряда.