Двигательная установка для коррекции орбиты космического аппарата

• Перечень условных обозначений, символов, сокращений и терминов
• Введение
• 1. Определение оптимальной скорости истечения рабочего вещества и подбор двигателя
• 2. Разработка и описание теоретического черчения расположения ЭРД на летательном аппарате
• 3. Разработка функциональной схемы движительного блока. описание схемы
• 4. Расчёт тяговых параметров ЭРДУ
• 4.1 Определение основных размеров движителя [1]
• 4.2 Определение тяговой мощности СПД и кинетической мощности струи
• 4.3 Определение разности потенциалов, ускоряющей ионы
• 4.4 Расчёт разрядного напряжения, разрядного тока и разрядной мощности
• 4.5 Расчёт КПД и ресурса движителя
• 5. Расчёт физических и геометрических параметров двигателя
• 6. Разработка и описание теоретического чертежа двигателя
• 7. Расчёт проектных параметров элементов системы хранфения и подачи рабочего тела
• 7.1 Расчёт геометрических параметров бака
• 7.2 Расчёт геометрических параметров ресивера
• 7.3 Расчет термодросселя
• 7.4 Расчет геометрических параметров электроклапана
• 8. Разработка циклограммы энергопотребления и расчет потребной электрической мощности движительного блока
• 9. Разработка и описание теоретического чертежа двигательного блока
• 10. Разработка алгоритма стабилизации тяги или потребляемого импульса
• 11. Описание функционирования движительного блока
• Заключение

Перечень условных обозначений, символов, сокращений и терминов

B-индукция магнитного поля, (Тл);

b_{k -} ширина ускоряющего канала, (м);

D-средний диаметр движителя, (м);

D_в — внутренний диаметр ускоряющего канала, (м);

D_н — наружный диаметр ускоряющего канала, (м);

d — диаметр бака, (м);

e — заряд электрона (Кл);

F — тяга ЭРД (Н);

h — орбита космического аппарата круговая, (км);

k — постоянная Стефана-Больцмана, (Дж/К);

l_{k -} длина ускоряющего канала, (м);

Nэл — электрическая мощность ЭРД (Вт);

R-универсальная газовая постоянная, (Дж/ (мольК));

— время функционирования двигательной установки, (с);

V-объем бака, (м);

— совершенство энергетического блока, ;

— совершенство движительного блока, ;

— молярная масса, (кг/моль);

d_{к -} толщина ускоряющего канала, (м);

d_{min -} минимальная толщина бака, (м);

— тяговый КПД;

_{КА -} время существования космического аппарата, (с);

j_I-потенциал ионизации рабочего тела, (В);

РК — разрядная камера;

ДУ — двигательная установка;

ИСЗ — искусственный спутник Земли;

КА — космический аппарат;

РВ — рабочее вещество;

СПД — стационарный пламенный движитель;

СУ — система управления;

СХПРТ — система хранения и подачи рабочего тела;

СЭ — система электропитания;

ЭРД — электроракетный движитель;

ЭРДУ — электроракетная двигательная установка;

Решение многих задач космонавтики в ближайшем будущем связано с широким использованием космических электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ).

ЭРД открыли новое направление в космическом двигателестроении. Они отличаются от существующих космических двигателей, работающих на химических топливах, более высокой экономичностью, но одновременно значительно меньшей тяговооружённостью. В ЭРД используется принцип ускорения заряженных частиц электромагнитным полем, на создание которого расходуется электрическая энергия. 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 электромагнитного ускорения позволяет значительно (на один-два порядка) увеличить удельный импульс, а соответственно и экономичность ЭРД по сравнению с химическими реактивными двигателями. Это предопределяет области применимости ЭРДУ для космических летательных аппаратов с большими временами активного функционирования (5−10 лет).

В ходе опытной эксплуатации ЭРДУ с СПД была подтверждена высокая эффективность использования их для ориентации ИСЗ и надёжность созданных конструкций. Максимальное время работы ЭРДУ в составе ИСЗ с использованием СПД составляло приблизительно 600 часов. При этом она полностью сохранила свою работоспособность и могла эксплуатироваться дальше.

Можно выделить следующие преимущества СПД:

1. СПД обеспечивает достаточно высокий уровень тяговых характеристик при скоростях истечения (1…3) м/с, т. е. нижний предел скоростей истечения у СПД ближе примыкает к верхнему пределу скоростей истечения современных химических двигателей. Это позволяет получать относительно невысокие значения цены тяги С и использовать СПД на современных КА.

2. СПД эффективно работает на инертных рабочих телах, в частности на ксеноне. Последнее существенно упрощает проблему создания системы хранения и подачи рабочего тела и решение проблемы совместимости ЭРДУ с системами ИСЗ.

3. СПД имеет простую схему и конструкцию. В частности, для обеспечения его работы на установившемся режиме можно обойтись лишь одним источником электропитания.

Эти преимущества позволяют применить СПД для выполнения поставленной задачи: коррекция орбиты космического летательного аппарата.

Техническое задание:

Разработать двигательную установку для коррекции орбиты.

1. Орбита космического аппарата круговая h=400 км.

2. Время существования космического аппарата _КА5 лет.

3. Время функционирования двигательной установки =2,3•10⁷с.

4. Рабочее вещество — ксенон

5. Тяга ЭРД: .

6. Тяговый КПД:

1. Определение оптимальной скорости истечения рабочего вещества и подбор двигателя

Определим оптимальную скорость истечения рабочего вещества (РВ) по формуле [1]:

где (1.1)

— совершенство энергетического блока,; -совершенство движительного блока,; -тяговый КПД; -время функционирования ДУ, (с);

Так как аппарат использует солнечные панели в качестве энергетического источника, то варьируется в пределах (20…80) 10^-3. Выбираем =. Удельные массовые характеристики движительных блоков варьируются в пределах (5…20) 10^-3. Выбираем =. Коэффициенты и были выбраны исходя из соображений необходимости вычисления максимальной оптимальной скорости истечения рабочего вещества. Чем меньше значения этих коэффициентов, тем больше значение оптимальной скорости истечения.

Подставляем выбранные значения в (1.1) и получаем:

По тяге ЭРД и подбираем тип ЭРД по справочнику.

Согласно таблице № 34 [2], тяге со значением и оптимальной скорости истечения V_и=3,1•10⁴ (м/с), наиболее подходящим является стационарный плазменный движитель.

электрореактивная двигательная установка космический

2. Разработка и описание теоретического черчения расположения ЭРД на летательном аппарате

Космический аппарат представляет собой осесимметричное тело. Центр масс находится на оси симметрии.

В результате работы движителя создается реактивная тяга, которая и перемещает объект в космическом пространстве. Поэтому электрореактивный движитель разместим внутри космического аппарата, так чтобы вектор реактивной тяги проходил через центр масс космического аппарата, тем самым выполняя главную задачу — точная коррекция летательного аппарата в космическом пространстве. Движитель прикрепим к внутренней раме аппарата. Размещение электрореактивного движителя на летательном аппарате представлено на чертеже ПП.402.440.06.05. ТЧ.

3. Разработка функциональной схемы движительного блока. описание схемы

На разработанном чертеже КП.440.05. СГ.11.01 представлена функциональная схема движительного блока, разрабатываемого в данной курсовой работе.

Двигательная установка на базе СПД, как и любая ДУ на базе ЭРД, предназначена для получения тяги за счёт ускорения выбрасываемой массы с помощью электрической энергии. Поэтому она содержит четыре подсистемы, что изображено непосредственно на указанном чертеже. Это система электропитания (СЭ), система управления (СУ), система хранения и подачи рабочего тела (СХПРТ) и сама двигательная установка (в данном случае — СПД). Рассмотрим состав и функциональную схему каждой подсистемы.

Движительный блок — основной блок ДУ — предназначен для преобразования электрической энергии в кинетическую энергию выбрасываемого из него рабочего тела. СЭ обеспечивает получение необходимых для питания движителя номиналов электрического питания, а СХПРТ — хранение рабочего тела и подачу его в движитель. Функционирование ДУ и контроль за её состоянием осуществляется с помощью СУ.

В состав ДУ могут вводиться и другие подсистемы, например, элементы системы телеметрической информации и др. Перечисленные ниже подсистемы выделены в связи с тем, что в том или ином виде они входят в состав любой ДУ, т. е. являются основными подсистемами ДУ.

СХПРТ в свою очередь состоит из бака (Б), заправочного устройства (ЗУ), пускового клапана (ПК), предохранительного клапана (ПрК), двух электроклапанов (ЭК1иЭК2), ресивера (РС), двух жиклёров (Ж1иЖ2) и самого двигателя (СПД).

В бак рабочее тело заправляется через заправочное устройство. Состояние рабочего тела в баке контролируется с помощью датчика температуры (ДТ) и датчика давления (ДД1), сигналы с которых поступают в систему управления (СУ). Рабочее тело из бака попадает в систему подачи через пироклапан, который пропускает рабочее тело в систему подачи. Далее рабочее тело через электроклапан (ЭК1) поступает в ресивер. Давление в ресивере контролируется датчиком давления (ДД2). Затем с помощью электроклапана (ЭК2) и жиклёров (Ж1 и Ж2) осуществляется подача рабочего тела в анод СПД и в катод-компенсатор.

4. Расчёт тяговых параметров ЭРДУ

Расчёт основных характеристик и основных геометрических размеров СПД произведён в соответствии с методикой, изложенной в.

К числу основных геометрических параметров, с помощью которых можно описать СПД типовой схемы, представленной на рисунке 1.1, относятся:

а) средний диаметр ускоряющего канала D определяющий масштаб модели;

б) диаметр наружного наконечника ускоряющего канала D_н;

в) диаметр внутреннего наконечника ускоряющего канала D_в;

г) ширина канала b_к;

д) длина канала l_к;

ж) толщина выходных кромок изолятора _к.

Рис. 4.1 Принципиальная схема и основные размеры СПД.

Для общей характеристики конструкции используются также габаритные размеры D_у и l_у. Принимая во внимание вышеизложенное можно сказать, что в качестве основной задачи расчёта рассмотрим определение совокупности значений перечисленных размеров, которые позволяют обеспечить выполнение заданных требований. Все эти размеры найдем методом оптимизации по среднему диаметру движителя. При выборе среднего диаметра необходимо выполнение условия, которое обеспечивает достаточную величину КПД двигателя:

.

Найдем массовый расход движителя по формуле:

(4.1)

Массовый расход через анод равен:

=, .

Через катод-компенсатор массовый расход будет равен:

Тогда

Тогда максимально допустимое значение среднего диаметра равно:

(4.2)

4.1 Определение основных размеров движителя [1]

а) средний диаметр ускоряющего канала: D=0,0687 м;

б) ширину ускоряющего канала:

;

в) длину ускоряющего канала:

;

г) наружный диаметр ускоряющего канала определим по формуле:

; (4.3)

м;

д) внутренний диаметр ускоряющего канала определим по формуле:

; (4.4.)

м;

е) толщину выходных кромок изолятора определим по формуле:

; (4.5)

м;

Габаритные размеры:

ж) диаметр движителя определим по формуле [3]:

; (4.6)

м;

з) длина движителя равна среднему диаметру ускоряющего канала:

м.

4.2 Определение тяговой мощности СПД и кинетической мощности струи

Зная массовый расход РТ, определим следующие величины [1]:

а) тяговую мощность струи:

(4.7)

Вт;

б) кинетическую мощность струи:

(4.8)

где = 0,95…0,97 — коэффициент, характеризующий разброс угла вылета ионов относительно оси ЭРД (принимаем = 0,96);

= 0,93…0,98 — коэффициент, характеризующий разброс ионов по энергии (принимаем = 0,97).

Вт.

4.3 Определение разности потенциалов, ускоряющей ионы

Площадь ускоряющего канала можно определить по формуле:

(4.9)

м.

Концентрацию электронов в канале найдем по формуле:

(4.10)

где М — масса одного иона ксенона, которая составляет:

кг.

— разность потенциалов, ускоряющая электроны.

где =12,1 В — потенциал ионизации ксенона;

м^-3

Рассчитанная выше концентрация электронов согласно (4.10) соответствует оптимальному режиму работы двигателя.

Толщина слоя ионизации в канале определяется по следующей формуле:

(4.11)

где k= - постоянная Стефана-Больцмана;

Т_а =1100 К — температура анода [3];

= - коэффициент ионизации [3];

м.

Долю ускоренных электронов попадающих на стенки диэлектрической камеры определим по формуле [3]:

(4.12)

Ток ионов можно определить по формуле [3]:

(4.13) Кл/с.

Исходя из выше приведенных расчётов, ускоряющую разность потенциалов можно определить по формуле:

(4.14)

где k_а — коэффициент аккомодации. В настоящее время отсутствуют точные данные о величине k_а в случае бомбардировки ионами диэлектрических мишеней, поэтому в дальнейшем будем принимать k_а = 1.

В.

4.4 Расчёт разрядного напряжения, разрядного тока и разрядной мощности

Разрядное напряжение определим по формуле:

; (4.15)

В.

Разрядный ток определим по формуле:

; (4.16)

А.

Разрядную мощность определим по следующей формуле:

; (4.17)

Вт.

Исходя из выше приведенных расчётов, цену тяги определим по формуле:

; (4.18)

.

Среднюю скорость ионов на срезе ускоряющего канала определим по формуле:

; (4.19)

.

4.5 Расчёт КПД и ресурса движителя

Тяговый КПД определим по формуле:

; (4.20) .

Рассчитаем ресурс движителя по формуле:

(4.21)

где — величина тока ионов, выпадающих на стенку и полностью отдающих ей свою энергию.

(4.22)

А;

— коэффициент распыления для материала АБН-2.

с.

Найдем отношение рассчитанного ресурса движителя к заданному.

;

Найдем ларморовский радиус иона (R_li) и электрона (R_le).

; (4.23)

м.

Значение индукции магнитного поля на выходе из канала

; (4.24) м.

5. Расчёт физических и геометрических параметров двигателя

Выбор основных размеров должен осуществляться с учётом их влияния на выходные характеристики СПД и на тяговые характеристики. Наиболее существенное влияние на тяговые характеристики СПД оказывают параметры магнитной системы. Это связано, с тем, что уровень напряженности и конфигурация силовых линий магнитного поля определяют величину сквозного электронного тока и уровень потерь ускоренных ионов. Управлять конфигурацией силовых линий магнитного поля можно, подбирая конфигурацию, размеры элементов магнитной системы (магнитопроводов, полюсов, катушек намагничивания) и соотношение ампер-витков в катушках, если их несколько. Конфигурация силовых линий магнитного поля связана с распределением напряженности магнитного поля в канале. Поскольку оптимальным режимам соответствует конфигурация близкая к симметричной относительно срединной поверхности канала, то в первом приближении достаточно знать продольное распределение радиальной компоненты индукции магнитного поля B_r, рис. 5.1.

Рис. 5.1 Распределение радиальной компоненты индукции магнитного поля по длине ускоряющего канала СПД.

Анализируя проведенные опыты, сделаем вывод о том, что для обеспечения высоких тяговых характеристик в движителе анод целесообразно располагать в области канала, где B_r = 0, а срез канала — в области максимума B_r. Выполнение первого условия необходимо для того, чтобы обеспечивались благоприятные условия замыкания электронного тока из плазмы на анод. Выполнение второго условия необходимо для того, чтобы фиксировалось оптимальное положение ускоряющего слоя в канале. Последнее условие обеспечивается тем, что в области спадающего магнитного поля развивается высокочастотная дрейфовая неустойчивость, способствующая резкому повышению подвижности электронов перпендикулярно магнитному полю, и необходимый поток электронов на анод в этой области пропускается при малой разности потенциалов.

Определим скорость дрейфа электронов. Для этого запишем уравнение сохранения энергии для электронов:

; (5.1)

где — энергия электронов;

=9,110^-31кг — масса электрона;

— скорость электронов;

=12,1 В — потенциал ионизации ксенона.

Из формулы (5.1) выразим скорость электронов:

; (5.2) .

Определим индукцию магнитного поля на среднем диаметр канала:

(5.3)

где — напряженность электрического поля;

; (5.4)

;

Тл.

Т.к. расчет Вr проводится для зоны, где, то из этого соотношения получим значение индукции магнитного поля на выходе из канала Тл.

Поток магнитного поля из одного полюсного наконечника в другой через ускоряющий канал определяем по формуле:

; (5.5)

где — площадь срединной цилиндрической поверхности, которую пересекает магнитное поле;

— индукция магнитного поля в ускоряющий канал;

; (5.6)

Тл;

; (5.7)

;

Вб.

Поток магнитного поля через сердечник внутренней катушки определяем по формуле:

; (5.8)

где — площадь сечения внутренней катушки;

— индукция магнитного поля через сечение сердечника внутренней катушки.

Как видно из формулы (5.8), поток по всей магнитной системе должен быть одинаковым, поэтому:

(5.9)

Для изготовления магнитопровода берём электротехническую сталь Э45 (ГОСТ 21 427−75) для которой при H=1,810³ A/м; B_с=1,2 Тл.

Определим площадь сечения сердечника внутренней катушки:

; (5.10)

С другой стороны:

; (5.11)

где — диаметр сердечника внутренней катушки;

; (5.12)

м.

В сортаменте выпускаемого материала есть прутки диаметром 6 и 8 мм. Для обеспечения прочности выбираем больший диаметр, т. е. d_c=8мм.

На основании первого правила Кирхгофа для магнитной цепи:

; (5.13)

; (5.14)

где — количество витков внутренней катушки; - количество витков наружной катушки; - длина внутренней катушки; -длина наружных катушек; - расстояние между наружным и внутренним полюсными наконечниками; - поток магнитного поля через сердечник одной наружной катушки; - площадь поперечного сечения сердечника одной наружной катушки; =12,5610^-7 Гн — магнитная постоянная; - магнитная проницаемость в ускоряющем канале. Принимаем для плазмы. — магнитная проницаемость сердечников внутренней и наружной катушек. Наружные катушки представляет собой четыре параллельно соединенных источника магнитодвижущей силы, поэтому

; (5.15)

Соотношение количества витков наружной и внутренней катушек можно записать как [3]:

; (5.16)

Из конструктивных соображений принимаем:

м. (5.17)

Расстояние между наружным и внутренним полюсными наконечниками находим как:

.

м (5.18)

Определим магнитную проницаемость сердечников внутренней и наружной катушек:

; (5.19)

.

Зная соотношение площадей поперечного сечения наружной и внутренней катушек, найдем диаметр сердечника наружной катушки.

м²

С другой стороны площадь поперечного сечения одной наружной катушки равна:

; (5.20)

где d₂ — диаметр сердечника одной наружной катушки.

;

м.

Преобразовав формулу (5.14) найдем :

(5.21)

Определим количество витков внутренней катушки:

Определим количество витков наружной катушки:

витков.

Определим диаметр проволоки для обмотки. Для обмотки катушек выбираем медный провод в термостойкой изоляции ПОЖМ 1 ТУ16−502.004−82.

Мощность, затрачиваемая на магнитную систему всех катушек, равна:

; (5.22)

Вт.

С другой стороны:

; (5.23)

Отсюда найдем сопротивление проволоки:

Ом;

Найдем длину проволоки:

; (5.24)

м.

Площадь поперечного сечения проволоки равна [3]:

; (5.25)

гдеудельное сопротивление проволоки при 20С,. При температуре 600 К (на обмотке катушки) удельное сопротивление равно:

; (5.26)

где — температурный коэффициент для медной проволоки.

;

м²;

Найдем диаметр проволоки:

; (5.27)

Принимаем диаметр проволоки d_пр=0,11 м.

6. Разработка и описание теоретического чертежа двигателя

На разработанном чертеже КП.402.440.11.00. ВО представлена схема двигателя (СПД), разработка которого является целью данной курсовой работы.

Ускоритель с замкнутым дрейфом электронов или СПД представляет собой источник ускоренного потока плазмы, образующегося при разряде в рабочем веществе, горящем в скрещенных электрическом и магнитных полях.

Двигатель имеет разрядную камеру (8), изготовленную из диэлектрического материала, в которую через анод-газораспределитель подается рабочее тело (инертный газ-ксенон). В РК движителя осуществляется ионизация атомов рабочего тела электронами и ускорение ионов. Магнитная система включает в себя наружный (15) и внутренний (16) полюсные наконечники, наружную (4) и внутреннюю (3) катушки, токопровод (17), токосъёмник (14) и изолятор (13). Магнитная система СПД спроектирована таким образом, чтобы на участке канала, на котором осуществляется ионизация атомов рабочего тела и ускорение ионов, магнитное поле было направлено преимущественно по радиусу с максимальным значением на срезе разрядной камеры. На практике выбор взаимного расположения магнитных экранов, полюсных наконечников, катушек намагничивания и подбор ампер-витков в них предварительно осуществляется по форме магнитных силовых линий (должна быть обеспечена примерно симметричная их конфигурация относительно срединной по радиусу поверхности канала), а окончательно-экспериментальным путём по интегральным характеристикам движителя. Катод-компенсатор (2), расположенный за срезом канала — отдельное устройство, в котором поддерживается самостоятельный газовый разряд — служит источником электронов, необходимых для поддержания разряда и компенсации объёмного заряда струи ионов. Часть электронов из плазмы, создаваемой катодом-компенсатором поступает в канал. Двигаясь в электрическом поле, эти электроны набирают энергию и производят ионизацию рабочего тела. Другая часть электронов поступает в струю ионов, истекающую из РК и компенсируют её объёмный заряд.

7. Расчёт проектных параметров элементов системы хранфения и подачи рабочего тела

Системы питания рабочим телом ЭРД предназначены для хранения рабочих тел (РТ) на старте и в полете, подготовки, дозировки и фазоразделения рабочих тел, остановки ЭРДУ и отдельных ее блоков и агрегатов.

Выбор РТ зависит от возможности хранения его на борту ЛА в наиболее благоприятном агрегатном состоянии, удобства дозировки и в ряде случаев от влияния вытекающей струи на оптические свойства КЛА и его приемопередающие устройства.

Обычно в рабочем состоянии ЭРД рабочее тело ионизировано. При этом ионизацию рабочего тела можно осуществлять либо в тяговой камере движителя или в генераторе плазмы.

Система хранения и подачи рабочего тела (СХПРТ) состоит из бака (Б), заправочного устройства (ЗУ), пускового клапана (ПК), предохранительного клапана (ПК), двух электроклапанов (ЭК1 и ЭК2), ресивера (РС), двух жиклёров (Ж1 и Ж2) и самого двигателя (СПД).

В бак рабочее тело заправляется через заправочное устройство. Рабочее тело хранится в газообразном виде. Состояние рабочего тела в баке контролируется с помощью датчика температуры (ДТ) и датчика давления (ДД1), сигналы с которых поступают в систему управления (СУ). Рабочее тело из бака попадает в систему подачи через пироклапан, который пропускает рабочее тело в систему подачи. Далее рабочее тело через электроклапан (ЭК1) поступает в ресивер. Давление в ресивере контролируется датчиком давления (ДД2). Затем с помощью электроклапана (ЭК2) и жиклёров (Ж1 и Ж2) осуществляется ванная подача рабочего тела в анод СПД и в катод-компенсатор.

В двигатель рабочее тело поступает в газообразном состоянии.

7.1 Расчёт геометрических параметров бака

Баки с рабочим телом по размерам и массе составляют наибольшую долю в массе всей двигательной установки. Рассчитаем бак для данной двигательной установки.

Масса рабочего тела описывается выражением:

; (7.1)

где к =1,02−1,05 — коэффициент запаса рабочего тела (принимаем к=1,05);

— массовый расход двигательной установки;

— время работы движителя.

Массовый расход РТ через катод-компенсатор составляет приблизительно 10% от массового расхода через движитель, поэтому:

; (7.2)

;

кг.

Определяем объём бака [4]:

; (7.3)

где R=8,31Дж/ (мольК) — универсальная газовая постоянная;

T — температура хранения рабочего вещества;

=кг/моль — молярная масса ксенона;

P=5· 10⁶ Па — давление в баке, исходя из необходимости поддерживать РТ в газообразном состоянии;

Расчетное давление в баке должно определяться максимальной температурой хранения. Для авиационной и космической техники обычно задается диапазон рабочих температур от — 50 до +50С. Поэтому принимаем T=293 К.

м

Определяем диаметр сферического бака:

; (7.4)

м.

В качестве материала бака принимаем титановый сплав ВТ5−1, т.к. этот материал хорошо поддается штамповке и имеет хорошую свариваемость. Плотность данного материала с_б= 4507 кг/м³, а [у] = 850· 10⁶ Па.

Определяем массу пустого бака:

; (7.5)

кг.

Определяем массу заправленного бака:

; (7.6), кг.

Определяем коэффициент складирования:

; (7.7)

.

Определяем минимальную толщину стенки бака.

; (7.8)

м.

Для обеспечения достаточной жесткости, чтобы использовать бак, как силовой элемент конструкции СХПРТ, принимаем, с учетом коэффициента запаса прочности, д_б = 0,002 м.

Бак состоит из двух полусфер, изготавливаемых штамповкой из прокатного листа Лист ВТ5−1 ОСТ 90 042−71. Площадь боковой поверхности каждой полусферы составляет:

; (7.9)

м.

7.2 Расчёт геометрических параметров ресивера

Ресивер служит для сглаживания пульсаций давления при подаче рабочего тела из бака и стабилизации параметров газа в магистрали.

Из бака газообразное рабочее тело поступает в ресивер. Перед ресивером стоит электроклапан, который при открытии открывает доступ газу в ресивер. Электроклапан открывается в том случае, когда давление газа в ресивере упало ниже установленного значения и открывает доступ газу. Как только давление в ресивере достигнет требуемой величины, электроклапан закрывается. Давление в ресивере устанавливается всегда таким, чтобы оно было всегда выше давления в движителе. Величина P_{рес min} задается системой управления для обеспечения расхода рабочего тела с заданной точностью. Система управления задает работу СХПРТ таким образом, чтобы ДМ_рес/М_рес 1. При постоянном расходе рабочего тела давление в системе все время меняется. При работе движителя, как правило, необходимо выполнение условия =const. Масса рабочего тела в ресивере:

. (7.10

При =const получаем:

(7.11)

Время цикла t_цикла определяется следующим образом. Из технического задания известно общее время работы движительной установки. Электроклапан перед ресивером имеет гарантированное изготовителем число включений и выключений n_вкл, которое, как правило, равно 10 000. Учитывая это, получим:

(7.12),

Тогда определим величину? М_рес:

(7.13)

кг

Выработка из ресивера рабочего тела за один цикл б составляет:

(7.14)

Как показывают экспериментальные исследования величина б, как правило, не должна превышать 3%. Примем максимальное значение б=0,03.

Тогда имеем:

кг

Уравнение состояния газа в ресивере запишется следующим образом:

. (7.15)

Как правило, ресивер термостатирован, то есть Т_рес=const и равна 293К. Давление в ресивере обычно составляет 2М10⁵ Па.

Определим объем ресивера:

м³

Форму ресивера выбираем тороидной (рис 4.1). Расчет стенок ресивера рассчитывается аналогично расчетам бака, и толщина (д) как правило составляет 1…1.5 мм, что обеспечивает достаточную жесткость и устойчивость формы ресивера. Исходя из вышесказанного, выбираем толщину стенки равной 1,3 мм.

Определим основные размеры ресивера:

; (7.16)

Рис. 4.1 Линейные размеры ресивера

Радиус поперечного сечения ресивера:

(7.18)

Примем= 0,1 м.

м

7.3 Расчет термодросселя

Термодроссель применяют для регулирования расхода рабочего вещества. В нем используют зависимость расхода газа от его температуры при заданном перепаде давления и геометрических размеров капиллярной трубки. Температура газа, в свою очередь, зависит от значения тока, пропускаемого через трубку.

Секундный расход рабочего тела через термодроссель на анод определяется по формуле:

где (7.19)

P — усредненное давление ();

— газовая постоянная для ксенона ();

— давление на входе в термодроссель;

— давление на выходе из термодросселя;

— внутренний диаметр термодросселя;

— разность давлений на входе и выходе из термодросселя;

T — температура в термодросселе ();

— коэффициент вязкости (для ксенона);

— длина термодросселя ().

Давление на входе в термодроссель равно давлению в ресивере. Давление на выходе из анодного блока обычно равно 1 — 3 мм. рт. ст. Давление на выходе принимаем равным мм. рт. ст. Усредненное давление равно:

(7.20)

Разность давлений равна:

(7.21)

Определим внутренний диаметр термодросселя:

. (7.22)

7.4 Расчет геометрических параметров электроклапана

Основное назначение элекроклапана — открытие и закрытие магистрали подачи; но перспективным представляется и применение его в качестве основного элемента системы регулирования расхода, в этом случае он работает в режиме широтноимпульсной модуляции.

Когда по обмотке электромагнита протекает постоянный ток, в магнитопроводе создается постоянный магнитный поток, под действием которого перемещается якорь и происходит запирание или открытие уплотнительного устройства, образованного уплотнителем и седлом. Упругая мембрана обеспечивает возврат якоря в положение «закрыто» при отключенном электропитании.

Основное требование, предъявляемое к электроклапану, — герметичность уплотнительного элемента, которая зависит от материала контактной пары и усилия упругой мембраны. [3]

Энергия магнитного поля в электроклапане:

(7.23)

По закону полного тока:

(7.24)

Получим силу поджатия мембраны:

(7.25)

Отсюда ток в катушке электромагнита:

(7.36)

Где — модуль упругости для Ст20;

— толщина мембраны;

— длина силовой линии;

— число витков катушки;

— коэффициент Пуассона;

— относительная магнитная проницаемость;

— магнитная проницаемость вакуума (воздуха);

z=0.002м — перемещение центра мембраны;

смещение центра мембраны;

S=0.03 — площадь поперечного сечения магнитного потока между магнитопроводом и якорем;

R= - радиус мембраны.

Найдём величину:

(7.27)

где d — диаметр жиклёра

Примем следующее допущение:

Отсюда найдём величину :

(7.28)

Зная все величины находим величину тока в катушке электромагнита:

.

8. Разработка циклограммы энергопотребления и расчет потребной электрической мощности движительного блока

При разработке циклограммы энергопотребления воспользуемся функциональной схемой движительного блока для определения элементов потребляющих электроэнергию.

В циклограмму войдут следующие элементы:

1. СПД;

2. Электроклапан (ЭК1);

3. Электроклапан (ЭК2);

4. Регулятор расхода типа термодроссель (РР);

5. Нагреватель ресивера.

Все расчеты будем производить в пределах одного цикла ресивера.

Рассчитаем потребную мощность для каждого из этих элементов.

Потребная мощность СПД из ранее приведенных расчетов

Вт.

Потребная мощность электроклапанов ЭК1 и ЭК2 определяются следующей зависимостью [1]

(8.1)

где-ток в катушке электромагнита I=0.109 A

— сопротивление катушки электромагнита

В свою очередь R находится по следующей зависимости:

(8.2)

гдеудельное сопротивление проволоки=1,75

l-длина проволоки 10=5м

S — площадь поперечного сечения проволоки S=1,17 при м

Так как электроклапан (ЭК1) работает в импульсном режиме время его работы примем равным

Найдём потребную мощность термодросселя. Расчеты будем вести в начале цикла работы ресивера и в конце работы цикла ресивера при и, т. е. через термодроссель нужно пропускать разное количество тока в начале и в конце цикла работы ресивера.

Для этого запишем выражение для определения тока протекающего через термодроссель [1]:

; (8.3)

где коэффициент термодросселя,

давление в ресивере, (Па),

секундный массовый расход через анодный блок,

температура в ресивере, К,

с — теплоёмкость ксенона,

сопротивление трубки термодросселя,

определяется по следующей зависимости [1]:

; (8.4)

где d — внутренний диаметр трубки термодросселя, d= м,

коэффициент вязкости, для ксенона ,

l — длина трубки термодросселя, l=1м

R — газовая постоянная для ксенона, R=63,

;

Считаем ток который нужно пропустить через термодроссель при :

А;

Найдем сопротивление трубки термодросселя:

;

удельное сопротивление трубки, для стали

S — площадь поперечного сечения трубки S=

Согласно формуле (8.1) найдем потребную мощность для термодросселя:

Посчитаем ток протекающий через термодроссель при :

A,

.

Так как ресивер термостатирован примем мощность нагревателя .

Циклограмма энергопотребления приведена на рис 8.1.

Рис 8.1 Циклограмма энергопотребления движительного блока.

9. Разработка и описание теоретического чертежа двигательного блока

На разработанном чертеже КП.440.05. ДУ.11.03 представлена конструкция движительного блока.

Движительный блок представляет собой совокупность жёстко соединённых между собой элементов конструкции:

1. Бака;

2. Рамы с движителем и элементами систем дросселирования, регулирования и распределения рабочего тела;

3. Силовых стержней.

Бак состоит из двух полусфер, приваренных аргонодуговой сваркой к силовому кольцу, на котором расположены два вида ушек. Первый вид ушек предназначен для крепления движительного блока к спутнику. Второй вид служит для монтирования рамы движителя и систем дросселирования, регулирования и распределения рабочего тела к баку. Для подачи в бак рабочего тела к нему приварен заправочный штуцер. Штуцер, предназначенный для подачи рабочего тела в движитель, расположен на второй полусфере. Бак является несущим элементом конструкции. Данное утверждение можно сделать на основании анализа компоновки бака. Компоновка бака осуществлена таким образом, чтобы с одной стороны он монтировался к спутнику при помощи труб, а с другой стороны — к нему на силовых стержнях крепилась рама с движителем, системами дросселирования, распределения и регулирования рабочего тела.

Силовые стержни крепления выполнены из нержавеющей стали Х18Н10Т. На концах стержней приварены шпильки, при помощи которых стержни с одной стороны стержни болтовыми соединениями крепятся к баку, а с другой стороны — к раме движителя.

Рама движителя и систем дросселирования, регулирования и распределения рабочего тела выполнена из сплава ВТ-1 и имеют форму круга. Выбор материала и конструкции рам обусловлен необходимостью уменьшения массы конструкции движительного блока.

У рамы движителя есть отверстие для установки СПД и отверстия для его крепления и прохода трубопроводов на катод-компенсатор, а также имеются отверстия, предназначенные для установки элементов систем дросселирования, регулирования и распределения рабочего тела.

Движитель крепится к раме с помощью болтов и корончатых гаек.

По периметру рамы, на которой располагаются системы дросселирования, регулирования и распределения рабочего тела, монтируется торообразный ресивер. Сама рама крепится к силовым стержням при помощи болтового соединения.

10. Разработка алгоритма стабилизации тяги или потребляемого импульса

При разработке алгоритма регулирования расхода рабочего вещества термодросселем формулу удобно записать в ином виде, подставив в неё выражения и.

Тогда получим:

(10.1)

или, обозначив

а=,

Запишем

(10.2)

Подогревать термодроссель можно, например, пропуская по нему электрический ток. В установившемся режиме работы тепло изолированного термодросселя энергия, переданная от стенки термодросселя газу в единицу времени, равна энергии, выделившейся на омическом сопротивлении термодросселя за это же время, т. е.

), (10.3)

где — коэффициент теплоотдачи, s — внутренняя поверхность термодросселя.

Энергия, приобретённая газом в единицу времени, равна энергии, отданной термодросселем газу за это же время, т. е.

(10.4)

Из формул (10.3) и (10.4) следует, если приравнять их левые части, что

(10.5)

Подставим выражение (10.5) в зависимость (10.2), учитывая при этом, что давление газа в ресивере, а на выходе из термодросселя — давлению газа на входе в движитель. Тогда

или

Из этого выражения следует, что расход рабочего вещества через термодроссель

(10.6)

Выражение (10.6) определяет полный набор переменных, от которых зависит расход рабочего вещества в системе подачи, т. е.

Разложим эту зависимость в ряд Тейлора. Тогда, устремив к нулю:

Для рассматриваемого случая, как это следует из (10.6), частные производные в начальный момент времени

Следовательно,

(10.7)

Отсюда алгоритм регулирования расхода рабочего вещества

(10.8)

В том случае, когда ресивер термостатирован из выражения (10.8) получим алгоритм регулирования расхода рабочего вещества в форме

(10.9)

а режиме стабилизации расхода рабочего вещества алгоритм регулирования (10.9) может быть представлен в наиболее простой форме, т. е.

(10.10)

Структурная схема системы регулирования расхода рабочего вещества термодросселем.

Рис. 10.1

11. Описание функционирования движительного блока

Движительный блок представленный на чертеже ХАИ.440.05. ДУ.15. ТЧ.02 будем рассматривать с системой управления (СУ) и системой электропитания (СЭ). Рассмотрим 2 случая: включение и выключение двигательной установки.

Для включения СПД нужно заправить бак (2) рабочим телом через заправочное устройство (7). На бак монтируются датчик температуры (ДТ) и датчик давления (ДД1). Так как в космосе резкий перепад температур то бак термостатируется. В свою очередь ДТ отслеживает температуру внутри бака и подаёт сигнал на СУ, далее СУ подаёт сигнал на СЭ и нагреватель начинает работать. Также бак нужно подогревать при почти полной выработке рабочего тела, это фиксирует ДД1. Далее у нас стоит пироклапан, его основное назначение — предотвращение случайного срабатывания движительного блока. Когда КА находится на заданной орбите пироклапан автоматически отстреливается. Чтобы запустить двигательную установку нужно в первую очередь открыть пусковой клапан (16). Так как у нас аппарат работает 20% за виток, СУ отслеживает нужное время включения движительного блока, далее подаётся сигнал на СЭ и пусковой клапан открывается. Электроклапан ЭК1 (13) служит для открытия магистрали с рабочим телом и наполнением ресивера (3). На ресивере стоит датчик давления ДД2. Он служит для того чтобы отслеживать величину давления. Так как ресивер работает циклами ДД2 подаёт сигнал на СУ, та в свою очередь на СЭ и электроклапан ЭК1 открывается или закрывается. Ресивер также термостатируется, так как большое влияние оказывает перепад температур, а нам нужно подать в анодный блок парообразное рабочее тело. Нагреватель ресивера работает по той же схеме, что и в баке. Ресивер нужен для того, чтобы понизить давление рабочего тела. Далее рабочее тало поступает в термодроссель (12), где создаётся нужное давление для последующей его подачи в анодный узел. Регулятор расхода пропускает разное количество тока, в начале и в конце цикла выработки ресивера. Это связано с тем, что у нас подаётся рабочее тело под разным давлением на разных этапах работы ресивера. В конечном итоге рабочее тело попадает в двигатель (1). Далее рабочее тело проходит через электроклапан ЭК2 (13). Он открывается по команде СУ. Служит он для подачи рабочего тела в анодный блок и в катод-компесатор. Далее идёт катод-компенсатор, который служит для компенсации объёмного заряда. Так как надёжность катод-компенсатора невелика, то ставим 2 штуки для большей надёжности. Он запитывается от выходного патрубка термодросселя, но ввиду того, что он имеет значительно меньший секундный массовый расход, и соответственно давление в него нужно подавать меньше по сравнению с анодным блоком, то для регулирования расхода через термодроссель ставим жиклёры (14). Теперь двигатель может работать в стабильном режиме.

Выключение двигателя происходит примерно в той же последовательности.

СУ фиксирует время завершения работы движительного блока, т. е. КА стабилизировал свою орбиту окончательно. С СУ подаётся сигнал на СЭ и пусковой клапан перекрывается, по такой же схеме перекрываются ЭК1 и ЭК2. Соответственно ток в анодный блок тоже не поступает по команде СУ. Ресивер спроектирован таким образом, что после завершения работы движительного блока в нём нет рабочего тела. В данном движительном блоке используется разделитель потенциалов (15). Его основное назначение — предотвращение случайного короткого замыкания.

Используя алгоритм стабилизации (см. пункт 10) можно регулировать массовый расход рабочего вещества через термодроссель. Приняв во внимание, что, можно попробовать увеличить тягу движителя, пропуская больший ток через термодроссель. Но это неэффективно так, как мы не увеличим тягу, а лишь увеличим массовый расход. Соответственно происходит нерациональный расход рабочего тела и анодный узел будет больше воспринимать температурных напряжений, соответственно, данная электрореактивная двигательная установка не будет удовлетворять требованиям заданного ресурса.

Заключение

В данном проекте был проведен расчет основных узлов стационарного плазменного движителя и системы хранения и подачи рабочего вещества СПД.

Целью данной курсовой работы является закрепление методики расчета и конструирования ЭРДУ, которые были получены в рамках курса «Основы теории и функционирования плазменных ускорителей». В рассчитанной курсовой работе были получены следующие важные характеристики СПД:

1. тяговая мощность СПД Вт;

2. разрядное напряжение 842 В;

3. разрядный ток А;

4. разрядная мощность Вт;

5. тяговый КПД СПД ;

6. ресурс СПД с;

7. средний диаметр СПД 0,0687 .

8. массовый расход .

В качестве рабочего вещества был принят инертный газ — ксенон.

Расчет СХП показал, что:

— рабочее тело хранится в сферическом баке в газообразном состоянии;

— масса рабочего вещества М_рт=51кг;

— бак и ресивер не термостатируются, т. е. в условиях открытого космоса;

— диаметр бака d_б=0,72 м;

— масса бакакг;

— ресивер имеет форму тора;

— малый радиус ресивера r_рес=0,1 м;

— большой радиус ресивера R_рес=0,14 м.

— диаметр жиклёра

— внутренний диаметр трубки термодросселя

— ток в катушке электроклапана

Была разработана циклограмма энергопотребления и рассчитана потребная мощность двигательного блока. Данный двигатель потребляет

334,1 Вт за один цикл выработки ресивера.

Был разработан алгоритм стабилизации тяги, в частности была выведена аналитическая зависимость между секундным массовым расходом и током который нужно пропустить через термодроссель. Разработана структурная схема контроля стабилизации тяги.

Перечень ссылок

1. Основы питания и управления электрореактивных двигательных установок /Н.В. Белан, Н. А. Маштылев. — Харьков: Нац. Аэрокосмический ун-т «Харьк. Авиац. ин-т», 2003. 343 с.

2. Белан Н. В., Ким В. П., Севрук Д. Д. Методика инженерного расчета СПД (учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию), Харьков, ХАИ, 1980 — 62 с.

3. Порядок расчёта основных энергетических характеристик и геометрических размеров стационарного плазменного двигателя/

С.А. Огиенко — Харьков: Нац. Аэрокосмический ун-т «Харьк. Авиац. ин-т», 2005.21с.

4. Атлас конструкций двигательных установок часть III А. Ф. Гуров, Д. Н. Сурнов, А. С. Демидов. — Москва: Московский ордена Ленина Авиационный институт имени Серго Орджоникидзе, 1977.