Разработка и расчет двигательной установки на базе стационарного плазменного двигателя (стр. 1 из 3)
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
bk– ширина ускорительного канала, м;
Cт - цена тяги, Н/Вт;
D - средний диаметр движителя, м;
Dвп, Rвп - диаметр и радиус внутреннего полюсного наконечника, м;
Dнп, Rнп - диаметр и радиус наружного полюсного наконечника, м;
Dу - габаритный размер движителя, м;
e – единичный заряд, Кл;
- токовый эквивалент массового расхода рабочего тела, А;Ip - разрядный ток, А;
Iуд - удельный импульс, м/с;
lk– длина ускорительного канала, м;
M- масса атома ксенона, кГ;
, 
- массовый расход рабочего тела через анодный блок и катод, кГ/с;Nи - кинетическая мощность потока ионов, Вт;
Np- разрядная мощность, Вт;
Nт - тяговая мощность, Вт;
P - тягадвижителя, Н;
Up- разрядное напряжение, В;
δк - толщина выходных кромок разрядной камеры, м;
ηт - тяговый КПД движителя;
φi- потенциал ионизации рабочего тела, эВ;
τдв - 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 Dн, определяющий типоразмер модели (М-70, М-100, М-140, М-200, М-290);
б) средний диаметр разрядной камеры D;
в) ширина канала bк;
г) длина канала lk;
д) толщина выходных кромок разрядной камеры δk;
 |
Для общей характеристики конструкции движителя используются также габаритные размеры Dу и lу, внутренний диаметр наружного полюсного наконечника Dнп=D+bk+2·δk и диаметр внутреннего полюсного наконечника Dвп=D-bk-2·δk. 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 λи – средняя длина пробега атома РТ до ионизации, 
- массовый расход РТ через канал с площадью проходного сечения Sk. Постоянство этого соотношения при прочих равных условиях ограничивает, в частности, минимальную величину концентрации (≈1019m-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 bk=0.25·D=0.015м; толщина выходной кромки разрядной камеры
=0.006 м; протяжённость ускорительного канала lk=bk+2·δk.= 0.027 м . Для рассматриваемого ТЗ bk=0.02 м, 
, lk=0.036 м.Наружный диаметр ускорительного канала определяется как DH=D+bk=0.075 м. Внутренний диаметр ускорительного канала определяется как DB=D-bk=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 Up. = 0,95…0,97 и = 0,93…0,98 для Хе в диапазоне Up=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 lс слоя, в котором преимущественно происходит ионизация РТ, выбираем такую величину, которая обеспечивает вероятность ионизации РТ не менее 95%. Тогда согласно [1, 3]
,1.1