Методика переноса результатов наземных измерений параметров струи стационарного плазменного двигателя на условия эксплуатации в космосе (2020)
Представлена методика экстраполяции угловых и энергетических характеристик ионов струи СПД, полученных в условиях стенда, на натурные условия эксплуатации. Исходными данными для экстраполяции являлись тормозные характеристики зондов-энергоанализаторов, измеренные при различных значениях давления фонового газа в вакуумной камере. Для получения достоверного результата из тормозных характеристик были исключены ионы перезарядки, образующиеся в результате взаимодействия ионов струи с частицами фонового газа, и учтено ослабление потока ионов за счет перезарядки. Полученные угловые зависимости откалиброваны по тяге. После этого зависимости плотности тока от давления при фиксированных значениях угла вылета ионов аппроксимировались полиномом второй степени. В качестве искомого значения плотности тока принималось значение аппроксимирующей функции в точке нулевого давления. В результате были получены угловые и энергетические характеристики ионов струи СПД, реализуемые в натурных условиях эксплуатации.
A technique is presented for extrapolating the angular and energy characteristics of the SPT plume ions, obtained under test bench conditions, to full-scale operating conditions. The initial data for extrapolation are the braking characteristics of the energy analyzers, measured at different values of the background pressure in the vacuum chamber. To obtain a reliable result, charge exchange ions formed as a re-sult of the interaction of the plume ions with particles of the background gas are ex-cluded from the stopping characteristics. Then, the weakening of the ion flux due to recharge is taken into account and the obtained angular dependences are calibrated in terms of thrust. After that, the dependence of the current density on the pressure is approximated by a polynomial of the second degree. The value of the approximating function at the point of zero pressure is taken as the sought-for value of the current density. In addition, the braking performance can be extrapolated. As a result, the angular and energy characteristics of the SPT plume ions are obtained, which are realized in full-scale operating conditions.
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Физика
- eLIBRARY ID
- 44494079
Таким образом, в статье представлена методика, позволяющая перенести результаты наземных измерений параметров струи стационарного плазменного двигателя на условия натурной эксплуатации.
Особенностями данной методики являются:
- исключение из рассмотрения ионов перезарядки;
- учет ослабления потока на пути от двигателя до точки установки зондов;
- калибровка по тяге угловых характеристик, измеренных при заданных значениях давления в камере.
Показано, что наибольшему влиянию давления в вакуумной камере подвержены осевая и периферийная зоны струи. Причиной этих изменений, по-видимому, является изменение конфигурации зоны ионизации – ускорения частиц. Изменения энергетического спектра ионов относительно невелики, поэтому, если тормозные характеристики зашумлены или результаты экстраполяции спектров ненадежны, в качестве спектра для нулевого давления могут быть использованы спектры, измеренные при минимальном давлении в камере.
Список литературы
- Горшков О. А., Муравьев В. А., Шагайда А. А. Холовские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов. – М.: Машино-строение, 2008.
- Ким В. Стационарные плазменные двигатели в России: проблемы и перспективы // Электронный журнал «Труды МАИ». 2012. № 60.
- Архипов А. С., Ким В. П., Сидоренко Е. К. Стационарные плазменные двигатели Моро-зова. – М.: Изд-во МАИ, 2012.
- Ким В. П., Надирадзе А. Б., Попов Г. А., Ходненко В. П., Шишкин Г. Г. Проблемы применения электроракетных двигателей на космических аппаратах // Модель космоса, изд. 8-е., том 2, Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов / под ред. проф. Л. С. Новикова. – М.: Книжный дом Университет, 2007. С. 615–659.
- Корсун А. Г., Твердохлебова Е. М., Новиков Г. И., Маркелова Т. С., Асташкин А. А., Надирадзе А. Б. Вопросы защиты космических аппаратов от электрофизического воздействия. Системная баллистика и эффективность космических систем дистанционного зондирования Земли / под ред. Г. Г. Райкунова. – ЗАО НИИ “ЭНЦИТЕХ”, 2012.
- Ходненко В. П. // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2018. Т. 164. № 3. С. 44.
- Absalamov S. K., Andreev V. B., Colbert T., Day M. et al. «Measurement of Plasma Parameters in the Stationary Plasma Thruster (SPT-100) Plume and Its Effect on Spacecraft Components». AIAA-92-3156, AIAA/SAE/ASME/ASEE 28th Joint Propulsion Conference. July 6–8, 1992, Nashville, TN, USA.
- Pagano D., Scaranzin S., Meniconi G., Scortecci F., Kutufa N. Performance and Plume Characterization of the SPT100-B Thruster // Joint Conference of 30-th ISTS, 34th IEPC and 6-th NSAT (Kobe-Hyogo, Japan, 4–10 July 2015), 2015, IEPC-2015-010.
- Kim V., Kozlov V., Popov G., Skrylnikov A. Plasma Parameter Distribution Determination in SPT-70 Plume // 28-th International Electric Propulsion Conference (Toulouse, France, 17–21 March 2003). 2003, IEPC-2003-107.
- Yassir Azziz. Experimental and Theoretical Characterization of a Hall Thruster Plume. Aeronautics and Astronautics, Massachusetts Institute of Technology, 2007.
- Boyd I. D., Cai C., Walker M. L. R., Gallimore A. D. Computation of Neutral Gas Flow From a Hall Thruster Into a Vacuum Chamber // Rarefied Gas Dynamics: 23rd International Symposium (Whistler, British Columbia, Canada, 20–25 July 2002) edited by A. D. Ketsdever and E. P. Muntz, CP663, pp. 541–548.
- Snyder J. S., Lenguito G., Frieman J. D., Haag T. W., Mackey J. A. The Effects of Background Pressure on SPT-140 Thruster Performance at Multiple Power Levels // Propulsion and Energy Forum 53rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference (Cincinnati, OH, 9-11 July 2018), pp. 1–17.
- Ortega A. L., Mikellides I. G., Chaplin V. H., Snyder J. S., Lenguito G. // Plasma Sources Science and Technology. 2020. Vol. 29. № 3. P. 1. DOI: 10.1088/
1361-6595/ab6c7e. - Mikellides I. G., Ortega A. L., Chaplin V. H., Lenguito G. // Plasma Sources Science and Technology. 2020. Vol. 29. № 3. P. 1. DOI: 10.1088/1361-6595/ab6c7f.
- Lovtsov A. S., Tomilin D. A., Muravlev V. A. Development of High-Voltage Hall Effect Thrusters at Keldysh Research Centre // Proc. of 68th International Astronautical Congress (IAC), Adelaide, Australia, 25-29 September 2017, IAC-17-C4.4.4.
- Фролов Е. С., Минайчев В. Е., Александрова А. Т. и др. Вакуумная техника: Справочник. – М.: Машиностроение, 1992.
- Торопов Г. П. Математическое моделирование распространения струи стационарного плазменного двигателя в объеме вакуумной камеры. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. – М.: МАИ, 2005. – 120 с.
- Надирадзе А. Б., Фролова Ю. Л., Зуев Ю. В. // Вестник московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 4. С. 144.
- Горшков О. А., Шагайда А. А. // Письма в ЖТФ. 2008. Том 34. Вып. 4. С. 37.
- O. A. Gorshkov, V. A. Muravlev, and A. A. Shagaida, Hall and ion plasma engines for spacecraft (Mechanical Engineering, Moscow, 2008).
- V. Kim, Stationary Plasma Engines in Rus-sia: Problems and Prospects, Electronic journal “Trudy MAI”. 2012. Issue No. 60.
- A. S. Arkhipov, V. P. Kim, and E. K. Sidorenko, Stationary plasma engines of Morozov (Publishing House of MAI, Moscow, 2012).
- V. P. Kim, A. B. Nadiradze, G. A. Popov, V. P. Khodnenko, and G. G. Shishkin, Problems of application of electric propulsion thruster on spacecraft. Model of the space, ed. 8th., Vol. 2, “The Impact of the Space Environment on Materi-als and Equipment of Spacecraft”, ed. prof. L. S. Novikova (University Book House, Moscow, 2007), pp. 615–659.
- A. G. Korsun, E. M. Tverdokhlebova, G. I. Novikov, T. S. Markelova, A. A. Astashkin, and A. B. Na-diradze, Issues of protecting spacecraft from electrophysical effects. System ballistics and the effectiveness of space systems for remote sensing of the Earth. Edited by G.G. Raikunova. CJSC Scientific Research Institute “ENCITECH”, 2012.
- V. P. Khodnenko, Electromechanics. Proceedings of VNIIEM 164 (3), 44 (2018).
- S. K. Absalamov, V. B. Andreev, T. Colbert, M. Day, et al., «Measurement of Plasma Parameters in the Stationary Plasma Thruster (SPT-100) Plume and Its Effect on Spacecraft Compo-nents». AIAA-92-3156, AIAA/SAE/ASME/ASEE 28th Joint Propulsion Conference. July 6–8, 1992, Nashville, TN, USA.
- D. Pagano, S. Scaranzin, G. Meniconi, F. Scortecci, and N. Kutufa, Performance and Plume Characterization of the SPT100-B Thruster // Joint Conference of 30-th ISTS, 34th IEPC and 6-th NSAT (Kobe-Hyogo, Japan, 4–10 July 2015), 2015, IEPC-2015-010.
- V. Kim, V. Kozlov, G. Popov, and A. Skrylnikov, Plasma Parameter Distribution Determination in SPT-70 Plume // 28-th International Electric Pro-pulsion Conference (Toulouse, France, 17–21 March 2003). 2003, IEPC-2003-107.
- Yassir Azziz, Experimental and Theoreti-cal Characterization of a Hall Thruster Plume. Aer-onautics and Astronautics, Massachusetts Institute of Technology, 2007. 230 p.
- I. D. Boyd, C. Cai, M. L. R. Walker, and A. D. Gallimore, Computation of Neutral Gas Flow From a Hall Thruster Into a Vacuum Chamber, Rarefied Gas Dynamics: 23rd International Sym-posium (Whistler, British Columbia, Canada, 20–25 July 2002) edited by A. D. Ketsdever and E. P. Muntz, CP663, pp. 541–548.
- J. S. Snyder, G. Lenguito, J. D. Frieman, T. W. Haag, and J. A. Mackey, The Effects of Background Pressure on SPT-140 Thruster Perfor-mance at Multiple Power Levels, Propulsion and Energy Forum 53rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference (Cincinnati, OH, 9–11 July 2018), pp. 1–17.
- A. L. Ortega, I. G. Mikellides, V. H. Chap-lin, J. S. Snyder, and G. Lenguito, Plasma Sources Science and Technology 29 (3), 1 (2020). DOI: 10.1088/1361-6595/ab6c7e.
- I. G. Mikellides, A. L. Ortega, V. H. Chap-lin, and G. Lenguito, Plasma Sources Science and Technology 29 (3), 1 (2020). DOI: 10.1088/1361-6595/ab6c7f.
- A. S. Lovtsov, D. A. Tomilin, and V. A. Muravlev, Development of High-Voltage Hall Ef-fect Thrusters at Keldysh Research Centre, Proc. of 68th International Astronautical Congress (IAC), Adelaide, Australia, 25–29 September 2017, IAC-17-C4.4.4.
- E. S. Frolov, V. E. Minaichev, A. T. Aleksandrova and others, Vacuum technology: Handbook (Mechanical Engineering, Moscow, 1992).
- G. P. Toropov, Mathematical modeling of the plume distribution of a stationary plasma thruster in the vacuum chamber: dissertation c.t.s., 05.07.05, Moscow, MAI, 2005.
- A. B. Nadiradze, Yu. L. Frolova, and Yu. V. Zuev, Bulletin of the Moscow Aviation Institute 26 (4), 144 (2019).
- O. A. Gorshkov and A. A. Shagayda, Let-ters to the Journal of Physics and Technology 34 (4), 37 (2008).
Выпуск
С О Д Е Р Ж А Н И Е
ОБЩАЯ ФИЗИКА
Иодис В. А.
Визуальные исследования процесса конденсации паров воды, этанола, хладогентов в охлаждаемых кремниевых и металлических микро- и миниканалах (обзор) 401
Воронов К. Е., Телегин А. М., Сухачев К. И., Калаев М. П.
Формы наведенного импульса в датчике микрометеороидов и частиц космического мусора 411
Гандилян С. В., Гандилян Д. В.
Некоторые вопросы обобщенного физико-математического моделирования динамических и энергетических характеристик микро- и наноэлектромеханических систем 419
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ
Кирий Н. П., Савинов С. А.
Спектроскопическое исследование тангенциального ускорения и нагрева плазмы токовых слоев, сформированных при разряде в криптоне 436
Фролова Ю. Л., Надирадзе А. Б., Ловцов А. С., Томилин Д. А.
Методика переноса результатов наземных измерений параметров струи стационарного плазменного двигателя на условия эксплуатации в космосе 454
ФОТОЭЛЕКТРОНИКА
Асаёнок М. А., Зеневич А. О., Новиков Е. В., Кочергина О. В., Лагутик А. А.
Реализация режима счета фотонов матричными многоэлементными лавинными фотоприемниками видимого и ближнего инфракрасного диапазонов 464
ФИЗИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ЕЁ ЭЛЕМЕНТЫ
Кузнецов П. А., Мощев И. С.
Исследование матричного фотоприемного модуля SWIR диапазона в дальномерном режиме 472
C O N T E N T S
GENERAL PHYSICS
V. A. Iodis
Visual studies of the condensation process of water vapor, ethanol, and refrigerants in cooled silicon and metal micro- and minicannels (a review) 401
K. E. Voronov, A. M. Telegin, K. I. Sukhachev, and M. P. Kalaev
Investigation of the shape of the induced pulse from the sensor of micrometeoroids and particles of space debris of ionization type with plate electrodes 411
S. V. Gandilyan and D. V. Gandilyan
Some issues of generalized physical and mathematical modeling of dynamic and energy characteristics of micro- and nanoelectromechanical systems (MEMS and NEMS) 419
PLASMA PHYSICS AND PLASMA METHODS
N. P. Kyrie and S. A. Savinov
Spectroscopic studies of the tangential acceleration and plasma heating of current sheets formed during a discharge in krypton 436
Y. L. Frolova, A. B. Nadiradze, A. S. Lovtsov, and D. A. Tomilin
Method of transferring the results of ground measurements of the plume parameters of a stationary plasma thruster to the conditions of full-scale operation 454
PHOTOELECTRONICS
M. A. Asayonok, A. O. Zenevich, E. V. Novikov, O. V. Kocherhina, and A. А. Lahutsik
Implementation of the photon counting mode by array multielement avalanche photodetectors 464
PHYSICAL EQUIPMENT AND ITS ELEMENTS
P. A. Kuznetsov and I. S. Moschev
Study of the SWIR range photodetector array module in rangefinder mode 472
Другие статьи выпуска
Представлен первый отечественный матричный фотоприемный модуль (ФПМ) SWIR диапазона для активно-импульсных формирователей изображения. В состав ФПМ входит матрица p–i–n фотодиодов на основе гетеро-структуры InGaAs/InP формата 320256 с шагом 30 мкм; большая интегральная схема считывания фотосигналов; термоэлектрический охладитель и герметичный корпус с сапфировым окном. Основной особенностью ФПМ является возможность функционирования в 3-х режимах: пассивный 2D, активно-импульсный 3D (дальномерный), асинхронный бинарный. Гибкое сочетание указанных режимов позволяет получить максимум информации о наблюдаемых объектах. Информация о дальности, формируемая в каждом пикселе ФПМ, в совокупности с яркостными сигналами, позволяет осуществить синтез 3D-изображений объектов. В работе представлены результаты исследования ФПМ, работающего в активно-импульсном 3D (дальномерном) режиме. Приводятся результаты эксперимента по созданию эффекта 3D-изображения, подтверждающие возможность ФПМ детектировать с высоким разрешением разноноудаленные объекты.
Подходы к реализации режима счета фотонов, используемые для одноэлементных лавинных фотоприемников, не в полной мере применимы к матричным многоэлементным лавинным фотоприемникам, таким как кремниевые фотоэлектронные умножители. Поэтому в статье рассмотрены особенности реализации режима счета фотонов применительно к этим фотоприемникам. Показана возможность работы в рассматриваемом режиме серийно выпускаемых кремниевых фотоэлектронных умножителей Кетек РМ 3325 и ON Semi FC 30035, а также умножителей из опытной партии, произведенной ОАО «Интеграл» (Республика Беларусь). Определены важные для реализации данного режима характеристики этих кремниевых фотоэлектронных умножителей, в частности, удельный коэффициент амплитудной чувствительности и зависимость отношения сигнал/шум от величины напряжения их питания.
Определены температуры однозарядных и двухзарядных ионов криптона, а также электронов в зависимости от времени в токовых слоях, сформированных в 2D и 3D магнитных конфигурациях с X линией. Установлено, что максимальная температура ионов криптона более чем на порядок превышает максимальную температуру электронов, обе температуры характеризуются разной зависимостью от времени и величины продольного магнитного поля. Обнаружены быстрые, сверхтепловые потоки плазмы, направленные вдоль наибольшего из поперечных размеров токового слоя - ширины слоя, от центра слоя к периферии. Показано, что тангенциальное ускорение крипто-новой плазмы происходит под действием сил Ампера. Измеренные значения энергии ускоренных ионов криптона согласуются с оценками сил Ампера, выполненными на основе независимых магнитных измерений.
В работе предложен новый обобщенный подход обобщенного физико-математического и компьютерного моделирования динамических и энергетических характеристик микро- и наноэлектромеханических систем (МЭМС и НЭМС), как сложных динамических систем с бинарно-сопряженными подсистемами. На базе предложенных теоретических принципов и моделей рассматриваются возможности исследования электрофизических характеристик биологических наноструктур. Рассматриваются некоторые узловые вопросы перспективного развития МЭМС и НЭМС, если в структурах их функциональных элементов возбуждения имеются активные наноструктурированные материалы дуального назначения, в которых при отсутствии внешних электромагнитных полей наблюдаются и намагниченность, и электрическая поляризация, так называемые сегнетоэлектромагнетики.
В статье приведено краткое описание датчика микрометеороидов и частиц космического мусора ионизационного принципа действия. Предложен алгоритм определения формы наведенного импульса на основе теоремы Рамо-Шокли, возникающего на измерительных электродах при пролете заряженных микрочастиц в зависимости от траектории их полета. Показано как определить наклон пролета микрочастицы при ее движении через электроды в виде пластин.
В статье представлен обзор работ, посвященных визуальным исследованиям процесса конденсации паров воды или смеси паров воды и этанола в горизонтальных микроканалах. Микроканалы могли иметь разную форму: трапециевидную, треугольную, прямоугольную и квадратную. В исследованиях визуально наблюдались основные структуры потока, а именно: кольцевая, инжекционная, снарядная и пузырьковая. Отмечены также разновидности перечисленных структур потоков, в частности, полосово-кольцевая, гладкая кольцевая, эмульсионная, эмульсионно-кольцевая и вытянуто-пузырьковая. Приведены также результаты наблюдений конденсации потоков хладагентов HFE-7100, R134a и R1234ze(E). Выявлены схожие картины структур потока при различных соотношениях эффектов поверхностного натяжения и гравитационного воздействия. Продемонстрирована необходимость изучения структур потоков в микроканалах различной формы, вертикально и наклонно ориентированных к горизонту.
Издательство
- Издательство
- АО "НПО "ОРИОН"
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- Юр. адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- ФИО
- Старцев Вадим Валерьевич (ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- orion@orion-ir.ru
- Контактный телефон
- +7 (499) 3749400