Основи теорії та функціювання плазмових прискорювачів

Страницы работы

Фрагмент текста работы

роботі визначені основні розміри та характеристики іонно-оптичної системи плазмово-іонного двигуна, його газорозрядної камери та магнітних полів, а також елементів електрозабезпечення, геометричні розміри бака та ресивера електричного ракетного двигуна.

РОБОЧЕ ТІЛО, ГАЗОРАЗРЯДНА КАМЕРА, ПИТОМИЙ ІМПУЛЬС, ТЯГА, РЕСИВЕР, БАК, АНОД, КАТОД, ІОННО-ОПТИЧНА СИСТЕМА, МАГНІТНЕ ПОЛЕ, СИСТЕМА ЕЛЕКТРОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ.


СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ.. 5

ВВЕДЕНИЕ. 9

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ. 10

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ИСТЕЧЕНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА. 11

2. РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ЧЕРТЕЖА РАЗМЕЩЕНИЯ ЭРД НА КА. 13

3. ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ДВИЖИТЕЛЬНОГО БЛОКА.. 14

4. РАСЧЕТ ТЯГОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭРДУ. 16

5. РАСЧЕТ ФИЗИЧЕСКИХ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖИТЕЛЯ. 18

5.1. Принцип работы ПИД и порядок его расчета. 18

5.2. Расчет параметров ионно-оптической системы ПИД.. 19

5.3. Расчет параметров газоразрядной камеры ПИД.. 25

5.4. Расчет магнитного поля в ПИД.. 28

6. РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ЧЕРТЕЖА ДВИГАТЕЛЯ. 33

7. РАСЧЕТ ПРОЕКТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ ХРАНЕНИЯ И ПОДАЧИ РАБОЧЕГО ВЕЩЕСТВА.. 36

7.1. Назначение и структура системы хранения и подачи газообразного рабочего вещества. 36

7.2. Расчет проектных параметров бака для хранения газообразного рабочего вещества. 37

7.3. Расчет проектных параметров ресивера. 41

7.4. Расчет термодросселя. 44

7.5. Расчет проектных параметров жиклёров. 45

7.6 Расчет проектных параметров  электроклапана. 47

8. РАЗРАБОТКА ЦИКЛОГРАММЫ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ И РАСЧЕТ ПОТРЕБНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ ДВИЖИТЕЛЬНОГО БЛОКА. 49

9. ОПИСАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ЧЕРТЕЖА ДВИГАТЕЛЬНОГО БЛОКА. 54

10. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА СТАБИЛИЗАЦИИ ТЯГИ ИЛИ ПОТРЕБЛЯЕМОГО ИМПУЛЬСА. 56

Выводы.. 61

Перечень ссылок.. 62

ПЕРЕЧЕНЬ ДОКУМЕНТАЦИИ.. 63


ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

В -

индукция магнитного поля, Тл;

b –

ширина полюсных наконечников, м;

Сi

цена иона,эВ/ион;

d –

расстояние между электродами ИОС, м;

dб

диаметр бака, м;

dж

диаметр отверстия жиклера,м ;

dПИД

диаметр ПИД, м;

dnp

диаметр проволоки в катушке соленоида, м;

 –

внутренний диаметр термодросселя, м;

Еmax

допустимая напряженность электрического поля Вт/м;

е –

заряд электрона, Кл;

Hрес -

высота ресивера, м;

Ie

электронный ток с катода, А;

Ii

ток ионного пучка, А;

Ip

разрядный ток, А;

Ic

ток, протекающий в катушке соленоида, A;

jc

плотность тока в сечении проволоки катушки, А/мм2

j –

плотность тока в ПИД, А/м2;

k -

коэффициент, учитывающий потерю рабочего тела при хранении;

kβ

постоянная Больцмана, Дж/К;

L –

характерный диаметр анода, м;

L1

расстояние от места, из которого вылетают электроны, до поверхности анода, м;

lтд

длина термодросселя, м;

Мзб

масса заправленного газом бака,кг;

Мкб

масса конструкции бака, кг;

Мрес

масса рабочего тела в ресивере, кг;

Мресо -

масса рабочего тела в ресивере в начальный момент времени, кг;

Мрт

запас рабочего тела, кг;

mе

масса электрона, кг;

mi

масса иона, кг;

 –

реальный секундный массовый расход рабочего тела, кг/с;

nотв

количество отверстий в электроде ИОС, шт;

ni

плотность ионов определяем в ГРК, 1/м3;

P –

усредненное давление, Па;

Ркр

критическое значение давления для ксенона, Па;

 – 

давление на входе в термодроссель, Па;

Рресо -

давление рабочего тела в ресивере в начальный момент времени, Па;

Р0

давление при нормальных условиях, Па;

 –

давление на выходе из термодросселя, Па;

qi

заряд иона ксенона, Кл;

R –

геометрический параметр фокусируемых пучков;

Re

ларморовский радиус первичных электронов, м;

Ri

ларморовский радиус первичных ионов, м;

газовая постоянная для ксенона, Дж/кг∙К;

RБ -

универсальная газовая постоянная, Дж/моль·К;

Rрес -

радиус ресивера, м;

R1

радиус наконечника основного катода, м;

R2

расстояние от оси ГРК до полюсного наконечника, м;

r0

радиус отверстия ИОС, м;

Sб

площадь поверхности бака, м2;

S0

площадь отверстия жиклёра, м2;

Sэфф

эффективная площадь сечения ПИД, м2;

Sполн

полная площадь сечения ПИД, м2;

Тк -

температура космического пространства, К;

Ткр

критическое значение температуры для ксенона, К;

Тм

температура группы медленных максвелловских электронов, К;

Т0

температура при нормальных условиях, К;

Тп

температура первичных электронов, К;

Трес -

температура ресивера, К;

Tтд

температура в термодросселе, К;

tцикла -

время цикла работы ресивера, с;

U –

напряжение между электродами ионно-оптической системы;

Up

напряжение разряда, В;

Vi

минимальная скорость ионов в ГРК, м/с;

Ve

минимальная скорость электронов в ГРК, м/с;

Vо -

объем занимаемый ксеноном при нормальных условиях, м3;

Vопт

оптимальная скорость истечения рабочего тела, м/с;

Vрес -

объем ресивера, м3;

W –

число витков в одной катушке соленоида, шт;

 –

суммарное число витков соленоида, шт;

α –

конструктивное совершенство энергоблока, кг/кВт;

αc

коэффициент складирования рабочего тела;

β –

конструктивное совершенство движительного блока, кг/кВт;

βк

выработка из ресивера рабочего тела за один цикл;

 –

разность давлений на входе и выходе из термодросселя, Па;

δ -

толщина стенки бака, м;

δу

толщина ускоряющего электрода, м;

δэ

толщина экранного электрода, м;

ε –

степень черноты поверхности бака;

εо

электрическая постоянная, Ф∙м-1;

φi

первый потенциал ионизации рабочего тела, эВ;

μ -

молярная масса, кг/моль;

µв

коэффициент вязкости, Н∙с/м2;

μкр

коэффициент расхода;

µ0

магнитная проницаемость среды, Гн/м;

hм

степень совершенства использования рабочего тела;

ρб

плотность материала бака, кг/м3;

ρрт -

плотность ксенона, кг/м3;

σ -

постоянная Стефана-Больцмана, Вт/м2·К4

σт

предел текучести материала бака, МПа;

χ –

прозрачность электродов ИОС;

кз -

коэффициент запаса;

Б –

бак;

ГРК –

газоразрядная камера;

ДД –

датчик давления;

ДТ –

датчик температуры;

Ж

жиклер;

ЗУ –

заправочное устройство;

ИОС -

ионно-оптическая система;

КА –

космический аппарат;

КПД –

коэффициент полезного действия;

ПИД -

плазменно-ионный движитель;

ПК –

пироклапан;

Рес –

ресивер;

СУ –

система управления;

СХПРТ -

система хранения и подачи рабочего тела.

СЭП –

система электропитания;

ТД –

термодроссель ;

ЭРД -

электроракетный движитель;

ЭРДУ -

электроракетная двигательная установка;

ЭК –

электроклапан;


ВВЕДЕНИЕ

Решение многих задач космонавтики в настоящее время связано с широким использованием космических электроракетных двигательных установок (ЭРДУ), исполнительными органами которых являются электрические ракетные двигатели (ЭРД).

Удельные массы современных космических энергоустановок достаточно велики, поэтому отношение силы тяги к массе космического корабля оказывается невысоким. Вместе с тем разделение источников энергии и рабочего вещества в ЭРД и использование электростатического ускорения позволяют значительно (на один-два порядка) увеличить удельный импульс, а соответственно и экономичность ЭРД по сравнению, например, с химическими реактивными двигателями. В плазменных и электростатических ускорителях рабочее вещество может быть разогнано до скоростей от десятков до сотен километров в секунду, что исключается в тепловых ускорителях. Это предопределяет области применимости ЭРДУ для космических летательных аппаратов с большими временами активного функционирования.

Отличительной особенностью ЭРДУ является высокое значение удельных импульсов, т.е. высокая экономичность, возможность получения малых единичных импульсов, большой ресурс, большое число включений.

Одним из основных классов электрических ракетных двигателей являются электростатические движители, к числу которых принадлежит и плазменно-ионный движитель (ПИД).


ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Спроектировать электрореактивную двигательную установку коррекции орбиты космического аппарата, предназначенного для дистанционного зондирования поверхности Земли.

Исходные данные:

·  Время функционирования ДУ: ;

·  Тяга ЭРД: ;

·  Тяговый КПД: ηт=0.52;

·  Время функционирования КА: ;

·  Орбите круговая h=500км.


1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ИСТЕЧЕНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА.

Движение КА зависит от возмущающих сил, которые постепенно изменяют элементы орбиты. Главные возмущения спутниковых орбит вызваны несферичностью Земли, сопротивлением атмосферы.

Включение бортовой двигательной установки на базе ЭРД позволяет компенсировать эти возмущения. Если ЭРД будет работать непрерывно в течении всего срока функционирования КА на орбите, то требуемая тяга

Похожие материалы

Информация о работе