В НИЯУ МИФИ от одномерных моделей перешли к двумерным для плазменных двигателей

Стационарные плазменные двигатели ставят на многие спутники, в основном для коррекции орбит. Чтобы продлить их ресурс, учёные сначала моделируют процессы внутри двигателя.

Стационарные плазменные двигатели (СПД) установлены на огромном количестве спутников, которые вращаются по околоземным орбитам. Это тип электрореактивных двигателей: они используют плазму, электрические и магнитные поля, чтобы ускорять плазму. В основном сейчас ставят двигатели разработки Алексея Ивановича Морозова, первые прототипы которых появились в середине прошлого века. Их применяют в первую очередь для коррекции орбит, а проекты более мощных двигателей нацелены на межпланетные перелёты. Конструкции СПД почти не менялись несколько десятилетий.

Современное требование к аппаратам с СПД — срок службы одного двигателя не менее 10 тыс. часов непрерывной работы. Главная проблема на пути к этому — разрушение стенок ускорительного канала. Стенки разрушают ионы ксенона, инертного газа, который обычно используют как рабочее вещество. Ионы разгоняются электрическим полем с разностью потенциалов в несколько сотен вольт и получают энергию, достаточную для разрушения стенок. Стенки чаще всего делают из керамики на основе бора, бор-азот-кремниевого композита боросил, и со временем он распыляется. Сильнее всего распыление в сопле, где ионы набирают наибольшую энергию. Разрушаются и элементы магнитной системы, от которой зависит работа двигателя: изменения силовых линий меняют характеристики ускорения, и двигатель может переходить в другие режимы.

В Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) процессы внутри двигателя моделируют на компьютере. По словам доцента кафедры физики плазмы Александра Степаненко, двигатель нелинейный: стационарных процессов в нём нет, и часто он работает в колебательном режиме с выбросами плазмы. Аналитических методов для таких моделей почти нет, поэтому главный инструмент — компьютерное моделирование. Исследователи изучают тягу, распределение плазмы по объёму канала, устойчивость горения разряда и взаимодействие плазмы со стенкой.

Группа ведёт два набора моделей. Первый начинали в группе старшего коллеги Константина Владимировича Брушлинского, который недавно ушёл из жизни; он занимался моделированием плазменных устройств, в том числе СПД. Второй набор строят на свободно распространяемом программном обеспечении, в частности на библиотеке BOUT++. По каждому направлению есть результаты. Главный шаг, по словам учёного, — переход от одномерных моделей к двумерным. Одномерные модели проще, но позволяют с относительно небольшими ресурсами изучать физику основных процессов. Конечная цель — трёхмерная модель, однако чем крупнее модель, тем сложнее согласовать работу её частей. Полных трёхмерных моделей ускорения вещества в канале СПД пока не существует, поэтому работа на промежуточном этапе.

Главная трудность — баланс. Магнитное поле влияет не только на движение ионов и их попадание на стенку, но и на горение разряда. Поэтому изменение магнитной системы меняет силу тяги и удельный импульс. Геометрию магнитных силовых линий можно менять намоткой и расположением катушек, числом ампер-витков, их формой и профилем, сменой сопла, магнитными экранами и вставками из магнитно-мягкого железа. Нужно одновременно уменьшить распыление стенки и сохранить нужные параметры ускорителя.

Пока работа ведётся на ксеноне как стандартном рабочем веществе. В литературе известны попытки делать СПД и на других газах, в том числе на воде. Конечная цель, по словам Степаненко, — довести разработки до конкретного технического изделия. Сейчас разрабатывают и особо мощные СПД, в том числе для межпланетных перелётов.

Коммерсантъ: наука