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

Введение

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;

M- масса 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;

δ_к - толщина выходных кромок разрядной камеры, м;

η_т - тяговый КПД движителя;

φ_i- потенциал ионизации рабочего тела, эВ;

τ_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 δ_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·δ_k и диаметр внутреннего полюсного наконечника D_вп=D-b_k-2·δ_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 λ_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·δ_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 .