Данная работа посвящена исследованию недостаточно изученных физических процессов в ионном двигателе. Цель работы состояла в аналитическом описании эффектов, вызванных ограничением мощности бортового источника электропитания, описании процессов нейтрализации ионного факела и оценке возможности применения компьютерного моделирования для исследования процессов нейтрализации. В ходе работы установлена функциональная зависимость между силой тяги ионного двигателя и параметрами источника питания. Найдены параметры источника, обеспечивающие максимальную тягу. Из анализа зависимости экстремальной силы тяги от параметров получены области значений параметров источника питания, соответствующие разным режимам работы ионного двигателя. Анализ энергетической цены тяги и коэффициента полезного действия позволяет выбрать оптимальное рабочее тело для двигателя. Получены выражение для сечения процесса аннигиляции частиц, а также соотношения, описывающие изменение концентраций частиц с координатой вследствие нейтрализации. Показаны возможности пакета CST Studio для моделирования процессов нейтрализации. Решатель Tracking Solver позволяет получить траектории частиц, распределения потенциала и плотности заряда, по которым можно оценивать степень взаимодействия потоков частиц и проектировать оптимальные конструктивные конфигурации. Для численной оценки процессов нейтрализации разработан алгоритм на языке программирования Python, с помощью которого получены зависимость концентрации частиц от координаты с учетом процессов аннигиляции, распределение потенциала в области моделирования с учетом объемного заряда частиц, зависимости скоростей частиц и длин свободного пробега ионов от координаты, а также изменение смешанного ионно-электронного потока частиц с координатой.

The given work is devoted to the study of the least described physical processes in an ion thruster. The purpose of the work was an analytical description of the effects caused by the limitation of the power of the onboard power supply, a description of the processes of neutralization of the ion flow, and a description of the possibility of using computer modeling for studying neutralization processes. In the course of the work, the dependence between the thrust force and the parameters of the power supply was established. The parameters of the source providing maximum thrust are found. From the analysis of the dependence of the extreme thrust force on the parameters, the ranges of the power supply parameters corresponding to different modes of operation of the ion engine are obtained. The analysis of the energy price of thrust and efficiency allows you to choose the optimal working fluid for the thruster. An expression for the cross section of the particle annihilation process is obtained, as well as relations describing the change in the concentrations of particles with a coordinate due to neutralization. The possibilities of the CST Studio package for modeling neutralization processes are shown. For the numerical evaluation of neutralization processes, an algorithm has been developed in the Python programming language, with the help of which the dependence of the particle concentration on the coordinate, taking into account the annihilation processes, the distribution of the potential in the field of modeling, taking into account the volume charge of particles, the dependence of particle velocities and ion free path lengths on the coordinate are obtained, as well as the change in the mixed particle flow with the coordinate.