Теоретико-экспериментальные исследования прототипа резонаторного сверхвысокочастотного ионного двигателя для космических аппаратов
Автор: Вавилов И.С., Федянин В.В., Ячменев П.С., Жариков К.И., Лукьянчик А.И., Степень П.В.
Журнал: Космическая техника и технологии @ktt-energia
Рубрика: Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов
Статья в выпуске: 2 (45), 2024 года.
Бесплатный доступ
В работе представлена математическая модель, описывающая энергетические процессы, происходящие в ускорительном тороидальном сверхвысоко-частотном ионном двигателе, и процессы торможения ускоренных ионов азота в среде собственного газа вакуумной камеры. Математическая модель построена на основе теории многоэлектродных ламп и теории электромагнитного взаимодействия заряженной частицы с веществом. Верификация математической модели проводилась экспериментальными исследованиями на основе времяпролётного метода с учётом параметров пучка ионов, определённых с помощью цилиндра Фарадея. В математической модели максимальная скорость частиц между реперными точками при напряжении 1200 В на электродах ионно-оптической системы составляла ~ 340 000 м/с. Результаты эксперимента показали, что при том же напряжении скорость ионов составляла ~300 000 м/с. Расчётное и полученное цилиндром Фарадея значения тока пучка составили 2...4 мкА.
Ионный двигатель, сверхвысокие частоты, резонатор, ионный ток, скорость ионизированного газа, времяпролётный метод, электронная лампа
Короткий адрес: https://sciup.org/143183274
IDR: 143183274
Список литературы Теоретико-экспериментальные исследования прототипа резонаторного сверхвысокочастотного ионного двигателя для космических аппаратов
- Lohmann S., Niggas A., Charnay V.,Holenák R., Primetzhofer D. Assessing electron emission induced by pulsed ion beams: A time-of-flight approach // Nuclear Instruments and Methods in Physics. Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2020. Vol. 479. P. 217–221. URL: https://doi.org/10.1016/j.nimb.2020.06.026 (accessed 19.07.2023).
- Zhengxu Huang, Guobin Tan, Zhen Zhou, Lei Chen, Liang Cheng, Dazhi Jin, Xiaohua Tan, Chunguang Xie, Lei Li, Junguo Dong, Zhong Fu, Ping Cheng, Wei Gao. Development of a miniature time-of-flight mass/charge spectrometer for ion beam source analyzing // International Journal of Mass Spectrometry. 2015. Vol. 379. P. 60–64. URL: https://doi.org/10.1016/j.ijms.2014.12.003 (accessed 19.07.2023).
- Courtney D.G, Shea H. Fragmentation in time-of-flight spectrometry-based calculations of ionic electrospray thruster performance // Journal of Propulsion and Power. 2015. 38(6). P. 1–5.
- Fedyanin V.V., Vavilov I.S., Yachmenev P.S., Zharikov K.I., Lukyanchik A.I., Stepen’ P.V. Determination of the ion beam velocity of an accelerator two-gap ion thruster // Journal of Physics: Conference Series. 2002. Vol. 2182. No. 012051. URL: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2182/1/012051 (accessed 19.07.2023).
- Vavilov I.S., Fedyanin V.V., Yachmenev P.S., Zharikov K.I., Lukyanchik A.I., Stepen’ P.V. Determination of the parameters of the microwave ion thruster by the calorimetric method // Journal of Physics: Conference Series. Vol. 2182. No. 012067. URL: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2182/1/012067 (accessed 19.07.2023).
- Vavilov I.S., Fedynin V.V., Yachmenev P.S., Stepen’ P.V., Lukyanchik A.I., Zharikov K.I. Investigation of plasma parameters of a single-gas ion engine using a single langmuir probe // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1791. No. 012032. URL: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1791/1/012032 (accessed 19.07.2023).
- Vavilov I., Zharikov K., Fedyanin V., Yachmenev P., Lukyanchik A., Stepen P. Investigation of the ion-optical system of an ion thruster with a microwave plasma generator with a power of up to 10 W // Acta Astronautica. 2021. Vol. 189. P. 548–558. URL: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.09.015 (accessed 19.07.2023).
- Клейнер Э.Ю. Основы теории электронных ламп: учебное пособие для студентов высших учебных заведений по специальности «Электронные приборы». М.: Высшая школа, 1974. 367 с.
- Физика и технология источников ионов / Под ред. Я. Брауна. Пер. с англ. М.: Мир, 1998. 495 с.
- Черняев А.П. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом. М.: Физматлит, 2004. 152 с.
- Holster K., Dietzs P., Scharmann S., Keil K., Henning T., Zschätzsch D., Reitemeyer M., Nauschütt B., Kiefer F., Zorn J., Heiliger C., Joshi N., Probst U., Thueringer R., Volkmar C., Packan D., Peterschmitt S., Brinkmann K.-T., Zaunick H.-G., Thoma M.H., Kretschmer M., Leiter H.J., Klar P.J. Ion thrusters for electric propulsion: Scientific issues developing a niche technology into a game changer // Review of Scientific Instruments. 2020. Vol. 91(6). URL: https://doi.org/10.1063/5.0010134 (accessed 19.07.2023).
- Belkova Yu.A., Novikov N.V., Teplova Ya.A. Charge distributions and energy losses of ions in solids // Nuclear Instruments Methods in Physics Research Section B. 2015. Vol. 343. P. 110–115. URL: https://doi.org/10.1016/j.nimb.2014.11.016 (accessed 19.07.2023).
- Белкова Ю.А., Новиков Н.В., Теплова Я.А. Потери энергии ионов в процессе перезарядки // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2016. № 4. С. 56–60. EDN: VRZRKT
- Новиков Н.В., Теплова Я.А. Оценка сечений перезарядки при ионатомных столкновениях // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2021. № 3. С. 44–56. EDN: TVBBBH
- Nikolaev V.S., Dmitriev I.S. On the equilibrium charge distribution in heavy element ion beams // Physics Letters. 1968. Vol. 28. Issue 4. P. 277–278. URL: https://doi.org/10.1016/0375-9601(68)90282-X (accessed 19.07.2023).
- Schiwietz G., Grande P.L. Improved charge-state formulas // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2001. Vol. 175–177. P. 125–131. URL: https://doi.org/10.1016/S0168-583X(00)00583-8 (accessed 19.07.2023).
- Николаев В.С. Захват и потеря электронов быстрыми ионами в атомных столкновениях // Успехи физических наук. 1965. Т. 85. № 4. С. 679–720. Статья поступила в редакцию 26.04.2023 г. Окончательный вариант — 20.07.2023 г.
