Ионно-плазменные двигатели с высокочастотной безэлектродной ионизацией рабочего тела (12)

Посмотреть архив целиком

Министерство образования Украины

Государственный аэрокосмический университет

имени Н.Е. Жуковского

«Харьковский авиационный институт»




Кафедра 402



РЕФЕРАТ

на тему : Ионно-плазменные двигатели с высокочастотной безэлектродной ионизацией рабочего тела





Выполнил :

________ Юрченко С.А.

1999-03-03




Харьков 1999 г.

Содержание

лист

Введение

3

1. Сравнительный анализ ЭРДУ

6

1.1 Применение ЭРД

7

1.2 Применение РИД

9

1.3 Общие преимущества РИД

9

1.4 Радиочастотный ионный движитель РИД-10

10

1.5 Радиочастотный ионный движитель РИД-26

11

1.6 Радиочастотный двигатель с магнитным полем (РМД)

11

2 Разработка численной модели электроракетного двигателя с ВЧ нагревом рабочего тела

13

2.1 Математический аппарат численной модели термогазодинамических процессов, имеющих место в камере и сопловом аппарате ракетного двигателя

13

2.2 Термодинамические процессы, протекающие в камере электронагревного движителя

16

Заключение

20

Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов

22

Список используемых источников информации

23

Введение

Как было показано последними исследованиями, энергетика (энергообеспечение) космических аппаратов с ресурсом 1-20 лет всегда будет первостепенной проблемой. Двигатели малых тяг, которые осуществляют коррекцию и стабилизацию таких космических аппаратов, обладают некоторыми особенностями, например, длительным ресурсом, высокой надежностью, оптимальной «ценой» тяги (отношение энергетических затрат к единице тяги). Для обеспечения долгосрочного ресурса необходимо уменьшить температуру конструктивных элементов плазменных движителей, плазма не должна взаимодействовать с элементами конструкции. В основном скорость истекающей плазмы (характеристическая скорость) определяет удельный импульс движителя. Чем больше значение характеристической скорости, тем больше и удельный импульс. Для осуществления длительных работ (программ) в космосе необходимо иметь надежные, высокоэффективные электроракетные двигатели со скоростями истечения плазмы 103-105 м/с и более.

Мы получили следующие результаты: при скоростях истечения рабочего тела 1000-9000 м/с термоэлектрические движители работают надежно, а в настоящее время создаются движители со скоростями истечения рабочего тела 2000-20000 м/с.

Использование электродуговых плазменных движителей для этих целей продемонстрировало, что в данном диапазоне скоростей негативные явления наблюдаются лишь вследствие эксплуатации движителя больше заданного времени ресурса.

Повышение температуры плазмы в движителях такого типа приводят к повышению удельного импульса. Но почти 50% электрической энергии подводимой к электродам, превращается в тепло и не участвует в повышении скорости плазменного пучка, а электроды испаряются (уменьшаются), что уменьшает ресурс движителя.

В нашем университете многие годы ведется детальная разработка таких движителей. Сравнение современных достижений по типовым движителям приведено в таблице 1.

Одним из современных направлений развития плазменных ускорителей является разработка двигателей малых тяг, работающих на принципе безэлектродного создания электромагнитной силы в форме ВЧ- и СВЧ-полей в плазменном объеме, удержании плазмы и ее ускорении в магнитном поле заданной формы. В этом случае предлагается концепция термоэлектрического движителя с высокочастотным нагревом рабочего тела, такого как водород. Это позволяет существенно уменьшить взаимодействие плазмы на элементы плазменного ускорителя, исключить потери энергии на электродах и использование магнитного сопла значительно повысят КПД движителя. Таким образом, преимущества этого типа движителей очевидны. Они заключаются в следующем:

  • высокий КПД (0,4 – 0,5);

  • длительный ресурс работы на борту (до 2-х лет);

  • высокая надежность и безопасность;

  • использование экологически чистого топлива;

  • такие движители обеспечивают характеристическую скорость в требуемом диапазоне скоростей истечения, которую движители других типов не могут обеспечить;

  • массовые характеристики, «цена» тяги и стоимость сборки не превышают существующих.

Это может стать возможным, если мы будем использовать некоторые достижения современной технологии и учтем некоторые нюансы:

  1. Из всех рабочих тел водород обладает минимальной атомной массой, то есть скорость истечения водородной плазмы из ВЧ-ускорителя будет максимальной.

  2. Водород – экологически чистое рабочее вещество и необходимость его использования несомненна.

  3. Сейчас у нас есть технология безопасного хранения связанного водорода в виде гибридов металлов на борту космического летательного аппарата. Это увеличивает КПД движителя и повышает эффективность работы системы в целом.

  4. Известно, что при ионизации водорода в любом типе электрического разряда потери при передачи энергии от электронной компоненты к ионной минимальны из-за минимальных массовых различий и потому, что для атомов водорода возможна лишь однократная ионизация.

В таблице 1 приведены основные характеристики ионных двигателей разрабатываемых и применяемых в Европе в настоящее время.


Таблица 1

п.п

Характеристики движителя

Тип движителя

Рабочее тело

Характеристическая тяга, г

Характеристическая скорость, м/с

Цена тяги, Вт/г

КПД, %

Особенности, ограничивающие ресурс

Примечание

1

Стационарный плазменный движитель (СПД)

Ксенон

(газ)

1…5

18000…

25000

150

30…50

Ресурс катода компенсатора и керамических изоляторов


2

Движитель с анодным слоем (ДАС)

Газ, жидкий металл

1…3

25000…

35000

200

30…45

Ресурс катода компенсатора, ресурс электродов


3

Плазменный ионный движитель (ПИД)

Газ, жидкий металл

1…10 и более

30000…

100000

300

30…45

Ресурс катода компенсатора и ионно-оптической системы

Увеличение тяги приводит к увеличению размеров

4

Торцевой холовский движитель (ТХД)

Газ, жидкий металл

1…3

25000…

35000

300

25…40

Электроды и катодный узел

Увеличение тяги пропорционально уменьшению ресурса

5

Электро-нагревный движитель (ЭНД)

Газ

1…5

1000…

4000

50…150

20…30

Нагреватель


6

ВЧ-движитель

Газ

1…10

3000…

15000

30…100

40…50

Отсутствуют


  1. Сравнительный анализ ЭРДУ

Применение ионных плазменных двигателей малой тяги на геостационарных спутниках имеет следующие преимущества: уменьшение стартовой массы, увеличение массы полезного груза и ресурса спутника.

Сравнение ЭНД, СПД и РИД, используемых в системе стабилизации Север – Юг, проведено на рисунке 1 и рисунке 2.


Рисунок 1,2. Стартовая масса спутника и зависимость сухой массы спутника от применяемой на нем двигательной установки.

Как показано на рисунке 1, стартовая масса спутника, включающая в себя сухую массу спутника (без массы ЭРДУ), составит:

4050 кг при использовании ЭНД;

3900 кг – СПД;

3670 кг – РИД.

Это означает, что стартовая масса спутника при использовании РИД вместо электродугового двигателя или СПД уменьшается на 380 и 230 кг соответственно. Уменьшение массы приводит к снижению стоимости запуска.

На рис. 2 показана зависимость сухой массы спутника от массы применяемой на нем двигательной установки (стартовая масса – 4050 кг):

2090 кг при использовании ЭНД;

2170 кг – СПД;

2310 кг – РИД.

Масса полезного груза может быть увеличена при использовании РИД:

на 220 кг по сравнению с ЭНД;

на 140 кг – с СПД.

Оба преимущества: уменьшение стартовой массы и увеличение массы полезного груза, - приводят к уменьшению стоимости спутника.


Случайные файлы

Файл
49051.rtf
27027-1.rtf
149864.doc
29971-1.rtf
7402-1.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.