Разработка и расчет двигательной установки на базе стационарного плазменного двигателя

Порядок расчета основных энергетических характеристик и размеров стационарного плазменного двигателя. Определение тяговой и кинетической мощностей струи ионов и протяжённости слоя ионизации рабочего тела. Расчет разрядного тока и ресурса 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

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 (≈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 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

где λи – 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 σi и скорости электронов ve ; - среднее, на протяжении слоя ионизации, произведение концентрации электронов на коэффициент скорости ионизации; k= - постоянная Стефана-Больцмана; Та =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; Sk - 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 Vион , 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 – φи =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 (≈φи ) и перепада потенциала в слое ионизации

.

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

1.2

где kа – коэффициент аккомодации энергии ионов поверхностью стенки принимается как kа =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) - lСИУ ; Nи - кинетическая мощность струи ионов. Коэффициент рассчитывается по эмпирической формуле

1.3

Величина lСИУ 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 lk 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 φ - Угол поворота профиля РК после приработки ().

---- Профиль РК по окончанию проектировочного периода (τдв ) 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 Rл.е и иона Rл.и должны выполняться соотношения Rл.е <<bk и Rл.и >>bk . При этом экспериментальными данными об интегральных характеристиках СПД различных типоразмеров подтверждено, что для режимов близких к оптимальным выполняется соотношение . Тогда подставляя определённые ранее значения bk и Up , 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 Rл.е ≈ 1.5·10-3 м<<bk =0.02 м и Rл.и ≈2,2 м>>bk , 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 τ, 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 φ=150 …200 ), вычисляем по формуле

,

где - длина эродирующего участка (см. рис. 2) соответствует протяжённости СИУ в РК движителя; принимается φ=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.