Численное моделирование струи разреженного газа, истекающего из ионно-оптической системы ионного двигателя

Аннотация

Рассматривается струя ионизированного разреженного газа, выходящая из ионно-оптической системы прототипа резонаторного ВЧ-ионного двигателя в окружающее пространство с низким фоновым давлением. После ряда предположений истекающая струя в первом приближении заменена на нейтральный разреженный газ, что позволяет охарактеризовать течение, удовлетворяющее гипотезе сплошности потока. Уравнения, описывающие движение сплошной среды, решаются численно с помощью метода Бубнова–Галеркина, применяющегося в динамике разреженного газа. Учтен нестационарный перенос тепла за счет взаимодействия газового потока с локальной областью тепловыделения в зазоре между сеточными элементами ионно-оптической системы. Механизм тепловыделения описывается уравнением теплопроводности, которое решается совместно с уравнениями газовой динамики. Полученные результаты расчетов приводятся в сравнении с экспериментальными данными. С помощью проведенного моделирования удалось получить пространственную структуру потока нейтрального разреженного газа в цилиндрических каналах и микроканалах двигателя. Благодаря сравнению полученной пространственной структуры с реальной термовизуализационной картиной струи можно оценить вклад резонаторного ускорения в общую энергию струи.