Исследование процессов зажигания высокочастотного разряда в газоразрядной камере газодинамически открытой конфигурации

Аннотация

До настоящего времени в основе исследований процессов зажигания разряда в безэлектродных плазменных ускорителях было изучение их однонаправленных конфигураций. Однако многонаправленные безэлектродные плазменные ускорители отличаются от однонаправленных тем, что имеют несколько отверстий во внутреннюю полость газоразрядной камеры и разное направление магнитного поля внутри них, что может влиять на движение электронов при воздействии электрических и магнитных полей во время зажигания разряда. Экспериментально исследован переходный процесс (зажигание разряда) и определены параметры устойчивого зажигания разряда в симметричной газоразрядной камере, открытой с двух концов во внешнее пространство, варьированием напряженностью азимутального электрического и индукцией осевого магнитного полей и расходом разреженного газа. Показано, что в многонаправленных волновых плазменных ускорителях происходит снижение пороговых (поджигных) напряженностей электрического поля при увеличении индукции внешнего статического магнитного поля, в отличие от однонаправленных высокочастотных индукционных плазменных ускорителей с внешним магнитным полем

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания (№ FSFN-2024-0011)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Шумейко А.И., Телех В.Д. Исследование процессов зажигания высокочастотного разряда в газоразрядной камере газодинамически открытой конфигурации. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2025, № 6 (123), с. 101--119. EDN: ZATSMF

Литература

[1] Takahashi T., Kiyoshi K. Low power arcjet thruster using LaB₆ hollow cathode. Acta Astronaut., 2023, vol. 206, pp. 89--99. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.02.015

[2] Romei F., Grubisic A.N. Validation of an additively manufactured resistojet through experimental and computational analysis. Acta Astronaut., 2020, vol. 167, pp. 14--22. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.10.046

[3] Duplay E., Bao Z.F., Rosero S.R., et al. Design of a rapid transit to Mars mission using laser-thermal propulsion. Acta Astronaut., 2022, vol. 192, pp. 143--156. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.11.032

[4] Phipps C., Birkan M., Bohn W., et al. Laser-ablation propulsion. J. Propul. Power, 2010, vol. 26, no. 4, pp. 609--637. DOI: https://doi.org/10.2514/1.43733

[5] Shumeiko A.I. Nature-inspired concepts for high-power electric propulsion systems. Fusion Sci. Technol., 2023. DOI: https://doi.org/10.1080/15361055.2023.2227504

[6] Morozov A.I., Savelyev V.V. Fundamentals of stationary plasma thruster theory. In: Kadomtsev B.B., Shafranov V.D. (eds). Reviews of Plasma Physics, vol. 21. Boston, МА, Springer, 2020, pp. 203--391. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4615-4309-1_2

[7] Keidar M., Boyd I., Beilis I. Modeling of a high-power thruster with anode layer. Phys. Plasmas, 2004, vol. 11, iss. 4, pp. 1715--1722. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1668642

[8] Killinger R., Kukies R., Surauer M., et al. ARTEMIS orbit raising inflight experience with ion propulsion. Acta Astronaut., 2003, vol. 53, iss. 4-10, pp. 607--621. DOI: https://doi.org/10.1016/S0094-5765(03)80022-X

[9] Kural A., Levegue N., Welch C., et al. Design of an ion thruster movable grid thrust vectoring system. Acta Astronaut., 2004, vol. 55, iss. 3-9, pp. 421--432. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2004.05.037

[10] Yang Zh., Guo H., Bai J., et al. Experimental study of a neutralizer-free gridded ion thruster using radio-frequency self-bias effect. Plasma Sci. Technol., 2023, vol. 25, no. 4, art. 045506. DOI: https://doi.org/10.1088/2058-6272/aca13f

[11] Krejci D., Reissner A. Large number system integration aspects: on orbit data and lessons learnt from launching 144 FEEP propulsion systems. J. Electr. Propuls., 2022, vol. 1, no. 1, art. 30. DOI: https://doi.org/10.1007/s44205-022-00020-z

[12] Huang T., Wu Z., Sun G., et al. Study and modeling of propellant ablation in coaxial ablative pulsed plasma thrusters. Acta Astronaut., 2020, vol. 173, pp. 69--75. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.04.010

[13] Manente M., Trezzolani F., Magarotto M., et al. REGULUS: a propulsion platform to boost small satellite missions. Acta Astronaut., 2019, vol. 157, pp. 241--249. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2018.12.022

[14] Takahashi K. Thirty percent conversion efficiency from radiofrequency power to thrust energy in a magnetic nozzle plasma thruster. Sci. Rep., 2022, vol. 12, no. 1, art. 18618. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22789-7

[15] Shinohara S. High-density helicon plasma science. Series in Plasma Science and Technology. Singapore, Springer, 2022. DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-19-2900-7

[16] Twarog D., Ryzhkov S.V. Induction of a strong paramagnetic field inside partially ionized and weakly magnetized plasma by the E×B drift. Herald of the Bauman Moscow State Technical University, Series Natural Sciences, 2018, no. 5 (80), pp. 45--53. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/1812-3368-2018-5-45-53

[17] Федотова К.В., Ягодников Д.А. Расчетное исследование предельных характеристик электризации стенки при обтекании низкотемпературной плазмой. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2023, № 1 (106), с. 145--160. DOI: https://dx.doi.org/10.18698/1812-3368-2023-1-145-160

[18] Kuzenov V.V., Ryzhkov S.V., Varaksin A.Yu. Computational and experimental modeling in magnetoplasma aerodynamics and high-speed gas and plasma flows (a review). Aerospace, 2023, vol. 10, iss. 8, art. 662. DOI: https://doi.org/10.3390/aerospace10080662

[19] Kuzenov V.V., Ryzhkov S.V. Numerical simulation of pulsed jets of a high-current pulsed surface discharge. Comput. Therm. Sci., 2021, vol. 13, iss. 2, pp. 45--56. DOI: https://doi.org/10.1615/ComputThermalScien.2020034742

[20] Kuzenov V.V., Ryzhkov S.V. Numerical simulation of the interaction of a magneto-inertial fusion target with plasma and laser drivers. High Temp., 2022, vol. 60 (suppl. 1), pp. S7--S15. DOI: https://doi.org/10.1134/S0018151X21040143

[21] Kuzenov V.V., Ryzhkov S.V., Varaksin A.Yu. The adaptive composite block-structured grid calculation of the gas-dynamic characteristics of an aircraft moving in a gas environment. Mathematics, 2022, vol. 10, iss. 12, art. 2130. DOI: https://doi.org/10.3390/math10122130

[22] Kuzenov V.V., Ryzhkov S.V. Calculation of plasma dynamic parameters of the magneto-inertial fusion target with combined exposure. Phys. Plasmas, 2019, vol. 26, iss. 9, art. 092704. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5109830

[23] Kuzenov V.V., Ryzhkov S.V. The qualitative and quantitative study of radiation sources with a model configuration of the electrode system. Symmetry, 2021, vol. 13, iss. 6, art. 927. DOI: https://doi.org/10.3390/sym13060927

[24] Shumeiko A.I., Telekh V.D., Mayorova V.I. Development of a novel wave plasma propulsion module with six-directional thrust vectoring capability. Acta Astronaut., 2022, vol. 191, pp. 431--437. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.11.028

[25] Lev D., Myers M., Lemmer K., et al. The technological and commercial expansion of electric propulsion. Acta Astronaut., 2019, vol. 159, pp. 213--227. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.03.058

[26] Shumeiko A.I., Telekh V.D., Mayorova V.I. Development of a six-directional plasma propulsion module for small satellites. Proc. 71st IAC, 2020, vol. 2020.

[27] Shumeiko A.I., Jarrar F.S., Swei S.S. Development of novel electrodeless plasma thruster with multiple thrust vectoring capability. Proc. 72nd IAC, 2021, vol. C4, paper 64834.

[28] Shumeiko A.I., Telekh, V.D. Direct thrust measurements of 2U-sized bi-directional wave plasma thruster. AIP Adv., 2023, vol. 13, iss. 8, art. 170019. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0160582

[29] Shumeiko A.I., Jarrar F.S., Swei S.S. Advanced wave plasma thruster with multiple thrust vectoring capability. Proc. AIAA SCITECH Forum, 2022. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2022-2190

[30] Shumeiko A.I., Telekh V.D., Ryzhkov S.V. Probe diagnostics and optical emission spectroscopy of wave plasma source exhaust. Symmetry, 2022, vol. 14, iss. 10, art. 1983. DOI: https://doi.org/10.3390/sym14101983

[31] Shumeiko A.I., Telekh V.D., Ryzhkov S.V. Starting modes of bi-directional plasma thruster utilizing krypton. Symmetry, 2023, vol. 15, no. 9, art. 1705. DOI: https://doi.org/10.3390/sym15091705

[32] Shumeiko A.I., Swei S.S. Electrodeless plasma thruster concepts for high-power propulsion systems. Proc. 73rd IAC, 2022, vol. C4.

[33] Shumeiko A.I., Telekh V.D. Helicon engine in outboard air as a successful solution for maintaining small space vehicle in orbits up to 200 km. AIP Conf. Proc., 2019, vol. 2171, no. 1, art. 170019. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5133330

[34] Shumeiko A.I., Telekh V.D. Probe diagnostics of the plasma plume created by a magnetic nozzle of an inductively coupled plasma source. J. Phys. Conf. S., 2019, vol. 1393, no. 1, art. 012027. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1393/1/012027

[35] Kihara T. The mathematical theory of electrical discharges in gases. Rev. Mod. Phys., 1952, vol. 24, iss. 1, art. 45. DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.24.45

[36] Lisovsky V.A., Yegorenkov V.D. Low-pressure gas breakdown in combined fields. J. Phys. D Appl. Phys., 1994, vol. 27, no. 11, art. 2340. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/27/11/014

[37] Smith H.B., Charles C., Boswell R.W. Breakdown behavior in radio-frequency argon discharges. Phys. Plasmas, 2003, vol. 10, iss. 3, pp. 875--881. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1531615

[38] Radmilovic-Radjenovic M., Radjenovic B. The effect of magnetic field on the electrical breakdown characteristics. J. Phys. D Appl. Phys., 2006, vol. 39, no. 14, art. 3002. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/39/14/019

[39] Radmilovic-Radjenovic M., Radjnovic B. The influence of the magnetic field on the electrical breakdown phenomena. Plasma Sci. Technol., 2007, vol. 9, no. 1, art. 45. DOI: https://doi.org/10.1088/1009-0630/9/1/10

[40] Wiebold M., Ren H., Denning C.M., et al. Low-pressure helicon-plasma discharge initiation via magnetic field ramping. IEEE Trans. Plasma Sci., 2009, vol. 37, iss. 11, pp. 2110--2115. DOI: https://doi.org/10.1109/TPS.2009.2031645

[41] Kumar S., Chandra A., John P.I., et al. Study of rf breakdown characteristics in the presence of parallel electric and magnetic fields. J. Phys. D Appl. Phys., 1971, vol. 4, no. 7, art. 959. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/4/7/411

[42] Smolyakov A.I., Godyak V., Tyshetskiy Y. Effect of the electron thermal motion on the ponderomotive force in inductive plasma. Phys. Plasmas, 2001, vol. 8, iss. 9, pp. 3857--3860. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1386941