МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЭЛЕКТРОДОВ ИОННОГО ИСТОЧНИКА. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Увеличение темпов техногенного засорения околоземного космического пространства препятствует долговременному устойчивому развитию космической деятельности, в том числе в области активно используемой геостационарной орбиты. Под космическим мусором понимают нефункционирующие объекты космической техники или их фрагменты. Для решения такой задачи был разработан источник ионов, формирующий слабо расходящийся ионный пучок, под бесконтактным воздействием которого происходит передвижение объекта космического мусора в направлении орбиты захоронения. Минимизация угла расходимости ионного пучка влияет на увеличение дальности воздействия на объект космического мусора. Однако существует проблема устойчивой работы источника ионов, которая связана с функционированием узла ионно-оптической системы, который и определяет конфигурацию слабо расходящегося ионного пучка. Узел ионно-оптической системы источника ионов является наиболее ответственным и сложным в конструктивном и технологическом отношении. Особенность работы электродов в составе ионно-оптической системы связана с неравномерным нагревом и деформированием электродов, что вызывает снижение характеристик источника ионов (полуугла расходимости ионного пучка, плотности ионного тока и тяги) и высоковольтный пробой. Электроды имеют разную толщину, могут быть выполнены из разного материала, а их нагрев может характеризоваться различными температурными профилями. Для надежной работы узла ионно-оптической системы необходимо обеспечить стабильность зазора между эмиссионным электродом и ускоряющим электродом на рабочих режимах. Неравномерный нагрев приводит к возникновению дополнительных прогибов электродов. Важно уметь рассчитывать начальную форму электродов и их деформации при нагревании до рабочих температур, при которых обеспечивается стабильная работа ионно-оптической системы. Все названное подчеркивает важность не только использования разработанной механико-математической модели электродов ионно-оптической системы, но и проведение численного моделирования деформированного состояния электродов ионно-оптической системы с использованием упрощенного алгоритма. Он позволяет проводить оценку деформированного состояния с существенной экономией времени моделирования.

Об авторах

А. И Могулкин

НИИ Прикладной механики и электродинамики МАИ (национальный исследовательский университет)

Email: revengard@yandex.ru
Москва, Россия

В. В Свотина

НИИ Прикладной механики и электродинамики МАИ (национальный исследовательский университет)

Москва, Россия

А. В Мельников

НИИ Прикладной механики и электродинамики МАИ (национальный исследовательский университет)

Москва, Россия

О. Д Пейсахович

НИИ Прикладной механики и электродинамики МАИ (национальный исследовательский университет)

Москва, Россия

Д. С Демченко

НИИ Прикладной механики и электродинамики МАИ (национальный исследовательский университет)

Москва, Россия

В. К Абгарян

НИИ Прикладной механики и электродинамики МАИ (национальный исследовательский университет)

Москва, Россия

Список литературы

  1. Takao Y., Miyamoto T., Yamawaki K., Maeyama T., Nakashima H. // Vacuum. 2002. V. 65. Iss. 3. P. 361. https://www.doi.org/10.1016/S0042-207X(01)00443-2
  2. Kawnine T., Kawnine M. Short Review on Electric Propulsion System: Ion Thruster. https://www.doi.org/10.13140/2.1.2331.8406
  3. Kravchenko D., Lovtsov A., Madeev S. // AIP Conf. Proc. 2019. V. 2179. Iss. 1. P. 020012. https://www.doi.org/10.1063/1.5135485
  4. Loeb H., Feili D., Popov G.A., Obukhov V.A., Balashov V.V., Mogulkin A.I., Murashko V.M., Nesterenko A.N., Khartov S.A. Design of High-Power High-Specific Impulse RF-Ion Thruster — IEPC-2011-290. // Proc. of 32nd International Electric Propulsion Conference, 11-16 Sept. 2011, Wiesbaden, Germany.
  5. Feili D., Lotz B., Loeb H.W., Leiter H., Boss M., Braeg R., di Cara D.M. Radio Frequency Mini Ion Engine for Fine Attitude Control and Formation Flying Applications //Second CEAS European Air & Space Conference, Manchester, United Kingdom.
  6. Dachward B., Ohndorf A., Spurmann J., Loeb H.W., Schartner K.H., Seboldt W. Mission Design for a SEP Mission to Saturn. // 60th International Astronautical Congress 2009, IAC 2009. P. 6692.
  7. Dachward B., Seboldt W., Loeb H.W., Schartner K.-H. // Acta Astronautica. 2008. V. 63. Iss. 1–4. P. 91. https://www.doi.org/10.1016/j.actaastro.2007.12.023
  8. Larsson O., Hedengen G. Electrostatic Ion Thrusters for Space Debris Removal. https://www.doi.org/1.869341.155015623
  9. Obukhov V.A., Kirillov V.A., Petukhov V.G., Popov G.A., Svotina V.V., Testoyedov N.A., Usovik I.V. // Acta Astronautica. 2021. V. 181. P. 569. https://www.doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.01.043
  10. Shagayda A.A., Lovtsov A.S., Muravlev V.A., Selivanov M.Y. Ion Thruster Development for a Transport and Power Generation Module Project. // Joint Conference of 30th International Symposium on Space Technology and Science, 34th International Electric Propulsion Conference and 6th Nano-satellite Symposium, Hyogo-Kobe, Japan July 4–10, 2015.
  11. Koroteev A.S., Lovtsov A.S., Muravlev V.A., Selivanov M.Y., Shagayda A.A. // Europ. Phys. J. D. 2017. V. 71. P. 120. https://www.doi.org/10.1140/epjd/e2017-70644-6
  12. Loeb H.W., Petukhov V.G., Popov G.A., Mogulkin A.I. // Acta Astronautica. 2015. V. 116. P. 299.
  13. Konstantinov M.S., Loeb H.W., Petukhov V.G., Popov G.A. // Int. J. Space Technol. Management Innovation. 2011. https://www.doi.org/10.4018/ijstmi.2011070101
  14. Mane S., Devan N’s V., Gupta R. // Int. J. Innovative Res. Sci. Eng. Technol. 2022. V. 11. Iss. 5. P. 6180. https://www.doi.org/10.15680/IJIRSET.2022.1105269
  15. Andrews S., Berthoud L. // Acta Astronautica. 2020. V. 170. P. 386. https://www.doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.12.034
  16. Gafarov A.A., Drondin A.V., Zakharenkov L.E., Klimenko A.G., Kravchenko D.A., Kudinov A.S., Lovtsov A.S., Lukoyanov Yu.M., Ogloblina I.S., Semenkin A.V., Sobolev V.V., Solodukhin A.E., Yanchur S.V., Shagaida A.A. // AIP Conf. Proc. 2021. V. 2318. Iss. 1. P. 040001. https://www.doi.org/10.1063/5.0035980
  17. Antipov E.A., Balashov V.V., Veber A.V., Kufyriev R.Y., Mogulkin A.I., Nigmatzjanov V.V., Pankov A.I., Popov G.A., Sitnikov S.A., Khartov S.A. The The Way to Choose Structure Materials for High Frequency Ion Thrusters // Trudy MAI. 2013. № 65.
  18. Патент на полезную модель 116273 (РФ). Источник ионов. / МАИ. Моуглкин А.И., Обухов В.А., Балашов В.В., Нигматзянов В.В., Смирнова М.Е., Хартов С.А. // 2012. № 12.
  19. Патент 2543063 (РФ). Способ изготовления электродов ионно-оптической системыю / МАИ. Балашов В.В., Попов Г.А., Антипов Е.А., Ионов А.В., Могулкин А.И. // 2015. № 6.
  20. Могулкин А.И. Механико-математическая модель деформаций профилированных электродов ионных двигателей: Дис. канд. технических наук: 05.07.05. Москва: МАИ, 2015. 161 с.
  21. Svotina V.V., Mogulkin A.I., Kupreeva A.Yu. // Aerospace MDPI. 2021. V. 8. Iss. 7. P. 189. https://www.doi.org/10.3390/aerospace8070189
  22. Obukhov V.A., Grigor’yan V.G., Latyshev L.A. Ionno-opticheskie sistemy dlya formirovaniya intensivnyh pukov tyazhelyh ionov. // Plazmennye uskoriteli i ionnye inzhektory. M.: Nauka, GRFML, 1984. P. 181. (In Rus.)
  23. Engineering Simulation Software ANSYS (2024) ANSYS, Inc., USA. www.ansys.com (date of application 2023.02.10)

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Институт физики твердого тела РАН, Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).