Ein Finite-Volumen-Verfahren zur Lösung magnetoplasmadynamischer Erhaltungsgleichungen

Abstract

Zur Lösung der Erhaltungsgleichungen für Argonplasmaströmungen in magnetoplasmadynamischen Eigenfeldbeschleunigern, die in der Raumfahrt aufgrund ihres hohen spezifischen Impulses und ihrer hohen Schubdichte als Antriebe für interplanetare Raumflugmissionen eingesetzt werden können, wurde in dieser Arbeit ein Finite-Volumen-Verfahren entwickelt. Für verschiedene Düsengeometrien durchgeführte Berechnungen zeigen, daß die Diffusion aufgrund des Elektronendrucks den Lichtbogen aus düsenförmigen Eigenfeldbeschleunigern heraustreibt und den Lichtbogenansatz auf der Anode maßgeblich bestimmt. In Übereinstimmung mit dem Experiment kann gezeigt werden, daß eine primäre Ursache für Plasmainstabilitäten bei hohen Strömen die durch den Pinch-Effekt hervorgerufene Dichte- und Ladungsträgerverarmung vor der Anode ist. Die berechneten Schübe stimmen mit experimentellen Werten gut überein, so daß das neuentwickelte Verfahren zum Entwurf und zur Optimierung neuer Triebwerke benutzt werden kann.

A finite volume method has been developed in this work for solving the conservation equations of argon plasma flows in magnetoplasmadynamic self-field accelerators. These accelerators can be used for interplanetary spaceflight missions because of their high specific impulse and high thrust density. Calculations for different nozzle geometries show that the diffusion caused by the electron pressure drives the arc out of nozzle-type self-field accelerators and influences the arc attachment on the anode significantly. In agreement with the experiment it has been found that a primary reason for plasma instabilities at high current settings is the depletion of density and charge carriers in front of the anode because of the pinch effect. The calculated thrust data agree well with experimental values, so that the newly developed method can be used for the design and optimization of new thrusters.