Разработка и расчет двигательной установки на базе стационарного плазменного двигателя

Министерство образования и науки Украины Харьковский национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского

«ХАИ»

Кафедра энергосиловых установок о двигателей ЛА Разработка и расчет двигательной установки на базе стационарного плазменного двигателя пояснительная записка к курсовой работе по курсу

«Основы теории и функционирования плазменных ускорителей»

Студент гр. xxxxxxxxxxxxxx.

______________ ________________

Консультант Доцент xxxxxxx

Канд. тех. наук

xxxxxxxxx.

Нормконтроль Ст. прxxxxx, к. т. н.

xxxxxxxxxx.

Харьков 2008г

Космические летательные аппараты, используемые для работы на различных орбитах вокруг Земли и для межпланетных полетов внутри солнечной системы, в большинстве случаев оснащены двигательными установками на основе электрореактивных двигателей, которые создают тягу необходимую для изменения положения летательного аппарата в космическом пространстве. Использование такого типа движителей целесообразно, так как они обеспечивают заданную тягу при меньших затратах рабочего тела по сравнению с двигателями другого типа.

С помощью электрореактивных двигательных установок можно решать следующие задачи: коррекцию орбит искусственных спутников Земли; обеспечение ориентации искусственных спутников Земли; выведение этих спутников на заданную орбиту; перевод космических аппаратов с опорной (околоземной) орбиты на более высокую, включая и задачи вывода космического летательного аппарата на геостационарную орбиту; обеспечение полета космического ЛА к другим планетам солнечной системы, кометам, астероидам и т. д.

Список условных обозначений, индексов и сокращений

b_k — ширина ускорительного канала, м;

C_т — цена тяги, Н/Вт;

D — средний диаметр движителя, м;

D_вп, R_вп — диаметр и радиус внутреннего полюсного наконечника, м;

D_нп, R_нп — диаметр и радиус наружного полюсного наконечника, м;

D_у — габаритный размер движителя, м;

e — единичный заряд, Кл;

— токовый эквивалент массового расхода рабочего тела, А;

I_p — разрядный ток, А;

I_уд — удельный импульс, м/с;

l_k — длина ускорительного канала, м;

Mмасса атома ксенона, кГ;

 — массовый расход рабочего тела через анодный блок и катод, кГ/с;

N_и — кинетическая мощность потока ионов, Вт;

N_p — разрядная мощность, Вт;

N_т — тяговая мощность, Вт;

P — тяга движителя, Н;

U_p — разрядное напряжение, В;

?_к — толщина выходных кромок разрядной камеры, м;

?_т — тяговый КПД движителя;

?_i — потенциал ионизации рабочего тела, эВ;

?_дв — ресурс движителя, с;

КПД — коэффициент полезного действия;

РК — разрядная камера;

РТ — рабочее тело;

СПД — стационарный плазменный двигатель;

ЭРД — электроракетный двигатель

1. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК И ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ СПД

Расчёт основных характеристик и основных размеров СПД произведён в соответствии с экспериментально-теоретическими методическими разработками, изложенными в [1, 2, 3, 4], в которых приведены некоторые промежуточные расчёты и дано более подробное объяснение используемых далее соотношений.

К числу основных параметров, с помощью которых можно описать СПД типовой схемы, представленной на рис. 1, относятся:

а) диаметр наружной поверхности ускорительного канала D_н, определяющий типоразмер модели (М-70, М-100, М-140, М-200, М-290);

б) средний диаметр разрядной камеры D;

в) ширина канала b_к;

г) длина канала l_k;

д) толщина выходных кромок разрядной камеры ?_k;

Для общей характеристики конструкции движителя используются также габаритные размеры D_у и l_у, внутренний диаметр наружного полюсного наконечника D_нп=D+b_k+2· ?_k и диаметр внутреннего полюсного наконечника D_вп=D-b_k-2· ?_k. В качестве основной задачи расчёта рассматривается задача по определению совокупности значений перечисленных размеров, а также параметров магнитной системы (количество ампер-витков и размеры элементов магнитопровода), которые обеспечивают выполнение заданных требований. Перечисленные размеры определяются с использованием величины среднего диаметра движителя, что должно обеспечить идентичность относительного распределения потенциала и других локальных параметров в РК, и, т.о., обеспечить выполнение условий подобия процессов ионизации и ускорения рабочего тела (РТ) в РК. Как следствие, это позволяет ожидать идентичности интегральных характеристик моделей различного масштаба в сопоставимых условиях работы. В качестве критерия подобия используется условие [4], где ?_и — средняя длина пробега атома РТ до ионизации, — массовый расход РТ через канал с площадью проходного сечения S_k. Постоянство этого соотношения при прочих равных условиях ограничивает, в частности, минимальную величину концентрации (?10¹⁹ m^-3) РТ в РК и, т.о., позволяет определить минимальное значение массового расхода, необходимого для эффективной ионизации и ускорения РТ в движителе. В случае использования ксенона в качестве РТ для достижения приемлемого тягового КПД условие минимального массового расхода приобретает следующий вид

.

Суммарный массовый расход двигателя определяется как

.

Подставляя данные, рассматриваемого, в качестве примера, технического задания (ТЗ), получаем кг/с. При условии, что суммарный массовый расход определяется расходами через анодный блок — и через катод —, полагая в первом приближении, что расход через анодный блок для рассматриваемого ТЗ определяем как. Исходя из ограничения на минимальную величину массового расхода, определяем значение среднего диаметра D=0,06 м.

На основе анализа накопленного опыта по разработке и эксплуатации СПД определены соотношения основных геометрических размеров движителя с тем, чтобы при различных значениях массового расхода и мощности достигался режим работы СПД близкий к оптимальному: ширина ускорительного канала b_k=0.25· D=0.015м; толщина выходной кромки разрядной камеры =0.006 м; протяжённость ускорительного канала l_k=b_k+2· ?_k.= 0.027 м. Для рассматриваемого ТЗ b_k=0.02 м,, l_k=0.036 м.

Наружный диаметр ускорительного канала определяется как D_H=D+b_k=0.075 м. Внутренний диаметр ускорительного канала определяется как D_B=D-b_k=0.06 м. Габаритные размеры движителя определяются как и .

1.1 Определение тяговой и кинетической мощностей струи ионов

Тяговую мощность струи ионов определяем по формуле Подставляя значения, получаем

.

Кинетическую мощность ионного потока на выходе из РК определяем по формуле где в зависимости от сорта РТ и разрядного напряжения коэффициенты: характеризует разброс угла вылета ионов относительно оси СПД; - разброс ионов по энергии. Больший разброс соответствует меньшему напряжению U_p. = 0,95…0,97 и = 0,93…0,98 для Хе в диапазоне U_p=200…300 B [1, 3]. Принимаем = 0,95 и = 0,95.

Тогда величина кинетической мощности струи ионов Вт.

1.2 Определение протяжённости слоя ионизации РТ

В качестве характерной толщины l_с слоя, в котором преимущественно происходит ионизация РТ, выбираем такую величину, которая обеспечивает вероятность ионизации РТ не менее 95%. Тогда согласно [1, 3]

1.1

где ?_и — средняя длина пробега атома до ионизации ударом электрона; - средняя, на протяжении слоя ионизации, скорость движения атомов РТ вдоль РК, определяемая температурой анода; =- коэффициент скорости ионизации атома Хе при сечении ионизации ?_i и скорости электронов v_e; - среднее, на протяжении слоя ионизации, произведение концентрации электронов на коэффициент скорости ионизации; k= - постоянная Стефана-Больцмана; Т_а=800…1000 К — диапазон температуры анода при разрядном напряжении от 150 до 350 В; =12,1 эВ — потенциал ионизации атома ксенона; e= Кл — единичный заряд; S_k — площадь поперечного сечения ускорительного канала.

Площадь поперечного сечения ускорительного определяем по формуле

.

Подставляя полученные ранее значения, определяем

.

По формуле 1.1 определяем протяжённость слоя ионизации

.

Полагая, что 95% РТ ионизируется, а затем и ускоряется уже в виде ионов разностью потенциалов, сосредоточенной на протяжении слоя ионизации до средней скорости V_ион, определяем концентрацию электронов исходя из условия неразрывности потока массы в РК:

где кг — масса иона ксенона; В — перепад потенциала в слое ионизации при потенциале ионизации ксенона — ?_и=12.1 В.

Подставляя полученные ранее значения, получаем .

Рассчитанная концентрация электронов соответствует режиму работы движителя близкому к оптимальному.

1.3 Расчет разрядного тока и напряжения разряда

Разрядное напряжение определяем с учётом т.н. «эквивалентной разности потенциалов» участка, на котором преимущественно происходит ускорение ионного потока, прикатодного падения потенциала В, а также суммы перепадов потенциала вблизи анода (??_и) и перепада потенциала в слое ионизации

.

Эквивалентная разность потенциалов, которая определяет ускорение ионов, вычисляется по формуле:

1.2

где k_а — коэффициент аккомодации энергии ионов поверхностью стенки принимается как k_а=1; - токовый эквивалент массового расхода; - коэффициент, учитывающий долю ионного тока, выпадающего на стенки РК на протяжении (см. рис. 1.2) слоя ионизации и ускорения (СИУ) — l_СИУ; N_и — кинетическая мощность струи ионов. Коэффициент рассчитывается по эмпирической формуле

1.3

Величина l_СИУ может быть определена на основе анализа экспериментальных данных, полученных с использованием СПД различных типоразмеров. Результаты анализа указывают на то, что СИУ занимает область РК, в которой радиальная составляющая индукции магнитного поля на средней линии канала (см. рис. 2). Полагая, что величина магнитного поля значительно спадает на протяжении l_k по экспоненциальной зависимости, величина может быть определёна с достаточной точностью из соотношения

где — максимальная (вблизи выхода из РК) величина индукции магнитного поля на средней линии ускорительного канала (определяется далее), а — протяжённость ускорительного канала, определённая ранее.

Рис. 2. Локализация слоя ионизации и ускорения в РК движителя? — Угол поворота профиля РК после приработки ().

—— Профиль РК по окончанию проектировочного периода (?_дв) работы СПД. Пунктиром обозначены линии равного потенциала ускоряющего электрического поля.

Величину определяем условиями, необходимыми для обеспечения азимутального дрейфа электронов в РК и прямо-пролётного движения ионов — для ларморовских радиусов электрона R_л.е и иона R_л.и должны выполняться соотношения R_л.е<k и R_л.и >>b_k. При этом экспериментальными данными об интегральных характеристиках СПД различных типоразмеров подтверждено, что для режимов близких к оптимальным выполняется соотношение. Тогда подставляя определённые ранее значения b_k и U_p, вычисляем

и протяжённость СИУ

.

Подставляя значения в 1.3, получаем .

Токовый эквивалент массового расхода рассчитываем с учётом определённого ранее значения массового расхода по формуле

А.

Подставляя в 1.2 полученные ранее величины, рассчитываем

В.

Определяем разрядное напряжение

В.

Определяем оценочное значение разрядного тока по формуле

.

Проверяем условия и оценивая напряжённость электрического поля как В/м. При =24.7 mTl рассчитываем R_л.е? 1.5· 10^-3 м<k=0.02 м и R_л.и?2,2 м>>b_k, что подтверждает выполнение условий «замагниченности» электронов и прямо-пролётного движения ионов в РК в скрещенных электрическом и магнитном полях.

1.4 Расчет КПД и ресурса движителя

Разрядную мощность расчитываем как

.

Для данных ТЗ .

Цену тяги определяем по формуле

.

Подставляя значения, получаем .

Определяем тяговый КПД по формуле

.

С учётом рассчитанных значений .

Далее рассчитываем параметры, определяющие ресурс двигателя. Рассчитываем период приработки РК двигателя, в течение которого происходит снижение и стабилизация скорости эрозии выходных кромок РК потоком ионов

где — величина тока ионов, бомбардирующих стенку РК.

где — объёмный коэффициент распыления поверхности стенок РК (материал — АБН) ионами Хе при разрядном напряжении 460 В [1−3].

.

Толщина кромки разрядной камеры, которая распыляется ионами за произвольное время ?, определяется зависимостью

1.4

где — константа (м), определяемая далее; - время работы двигателя.

Толщину кромки разрядной камеры, которая распыляется ионами за время (в течение которого происходит снижение скорости эрозии из-за поворота профиля эродирующего участка РК на угол ?=15⁰…20⁰), вычисляем по формуле

где — длина эродирующего участка (см. рис. 2) соответствует протяжённости СИУ в РК движителя; принимается ?=17⁰.

Рассчитывается величина м.

По формуле 1.4 определяем константу м — глубина эрозии за период приработки РК.

Рассчитываем толщину стенки РК, необходимую для обеспечения требуемого ресурса работы движителя по формуле 1.2

м.

Для того чтобы движитель мог функционировать в течение заданного ресурса времени, величина должна быть меньше, чем толщина выходных кромок разрядной камеры. Проверка этого предположения показывает, что Т.о., требование по обеспечению заданного ресурса работы РК СПД выполнено.