Проектирование плазменно-ионного двигателя (стр. 7 из 10)
(4.22)Следовательно, индукция магнитного поля будет определяться как:
. (4.23)Определив необходимую индукцию магнитного поля, рассчитывается ларморовский радиус электронов:
. (4.24)После определения ларморовского радиуса электронов и ионов, проверяется условие (4.20), если оно выполняется, то расчет проведён правильно.
Исходя из того, что распределение плотности ионного тока у моделей ПИД с радиальным магнитным полем более однородно, чем у движителя с расходящимся или осевым магнитным полем, а, также учитывая, что создание движителя с пристеночным магнитным полем (мультипольное магнитное поле) достаточно сложно с технологической точки зрения, по сравнению с созданием движителя с радиальным магнитным полем. Учтя всё выше сказанное, для проектируемого ПИД, выбирается схема с радиальным магнитным полем. На рисунке 4.2 приведена расчётная схема магнитной цепи для радиального поля.
Рисунок 4.2. Расчётная схема магнитной цепи для радиального поля.
Существует две схемы радиального магнитного поля в ПИД: с внешними магнитными полюсами (т.е. магнитный полюс находится за стенкой ГРК, а материал ГРК камеры подбирается магнитопроводящим) и со встроенными полюсами (т.е. магнитный полюс встроен в стенку ГРК). В данном проекте выбирается схема магнитной цепи с внешними полюсами, следовательно, расстояние от оси движителя до полюсных наконечников будет определяться как:
. (4.25)где
- ширина полюсного наконечника.Исходя из опыта применения полых катодов в ПИД, а, также используя рекомендации, предложенные в методическом пособии, рассчитывается радиус наконечника катода, и ширина полюсных наконечников:
. (4.26) 
, 
. (4.27)Ширина полюсных наконечников принимается равной от 2 до 5 ларморовских радиусов электрона, так как это позволяет обеспечить минимум два соударения электрона с ионизируемым рабочем телом, что позволяет обеспечить более высокую плотность ионов на входе ИОС, а, следовательно, и большую тягу движителя, также выбор по такому критерию ширины полюсного наконечника увеличивает время жизни электрона.
Таким образом, используя закон Ома для магнитной цепи, определим число ампер-витков необходимые для создания магнитного поля в объёме ГРК с индукцией В:
(4.28) 
(4.29)где
- магнитная проницаемость среды ( 
).Для дальнейшего расчёта магнитного поля ПИД необходимо выбрать материал для катушек соленоида и диаметр провода. Как правило, в промышленности используют проводники из алюминия или меди. Определяющими критериями в выборе материала являются его плотность и электропроводность, так как плотность меди в 3-2 раза выше плотности алюминия, поэтому при равных размерах катушка с обмоткой из алюминия оказывается значительно легче, чем катушка из меди. Однако электропроводность алюминия составляет только 60% электропроводности меди, поэтому мощность, потребляемая катушкой из алюминия, в 1,67 раза превышает мощность, потребляемую катушкой из меди, создающей то же поле, если размеры катушки одинаковы. Исходя из всего сказанного выше и учитывая повышенные требования, предъявляемые к энергопотреблению движителя, проводник для катушки выбираем диаметром один миллиметр из меди. По рекомендациям, предложенным в методическом пособии [2], плотность тока в сечение проволоки катушки принимаем равной 3А/мм2, тогда ток, протекающий в катушке соленоида, будет определяться как произведение плотности тока на площадь сечения проволоки:
(4.30)Таким образом, определив ток и задавшись диаметром проволоки соленоида, и зная суммарное число ампер витков, можно сначала определить суммарное число витков соленоида, которое обеспечит необходимую индукцию магнитного поля, а затем, задавшись числом катушек (так для более равномерного распределения магнитного поля в ГРК ПИД и для упрощения конструкции ПИД принимаем число катушек равным шести (n=6).
(4.31)определим число витков одной катушки:
(4.32)· По результатами расчёта магнитного поля определены следующие величины:
· Индукция магнитного поля,
Тл;· Геометрические параметры магнитной системы,
м, 
м, 
м;· Ток катушки,
А;· Суммарное число ампер-витков,
;· Число катушек,
;· Число витков в одной катушке,
.5 Разработка и описание теоретического чертежа двигателя
Плазменный ионный движитель представляет собой устройство, в котором создание тяги основано на принципе ускорения заряженных частиц.
Общий вид плазменного-ионного двигателя представлен на чертеже ХАИ.06.441п.11.TЧ.04. Заряженные частицы образуются в части движителя, которая называется газоразрядной камерой (ГРК) (6). В состав ГРК входят катодный узел (13), анод (1), и непосредственно корпус газоразрядной камеры (6). Из анода через отверстия коллектора (3) в ГРК поступает рабочее тело - газ (Xe). Из катодного узла (13) в ГРК испускаются электроны. Происходит процесс, т. н. «ионизация ударом» при котором электроны сталкиваются с нейтральными частицами РТ и придают им положительный заряд. Для контроля над процессом ионизации и увеличения коэффициента полезного действия движителя в конструкцию введены дополнительные элементы — магнитопровод (10) и полюсный наконечник (18), которые составляют магнитную систему. Магнитная система создает в ГРК магнитное поле, генерируемое катушками индуктивности (17), которое удерживает электроны в зоне ионизации и не позволяет им оседать на стенки камеры.
Процесс ускорения заряженных частиц осуществляется при помощи ионно- оптической системы ИОС. ИОС представляет собой два разноименно заряженных электрода. Наружный электрод (5) (т. е. ускоряющий электрод) заряжен отрицательно, именно благодаря ему происходит ускорение. Ионы ускоряются электростатическим полем с разностью потенциалов ~ 500 В.
На срезе движителя имеется катод - компенсатор (2), установленный на специальном кронштейне. Задача катода-компенсатора - понижение объемного заряда и нейтрализация ионного пучка на срезе движителя. К катоду-компенсатору подается газ, в катоде образуются электроны, которые и нейтрализуют положительно заряженные ионы. Рабочее тело на анод подается по трубке. Напряжение на элементы ГРК подается по электропроводам. Изоляторы предотвращают возникновение замыкания в ГРК ПИД.
6 Расчёт системы хранения и подачи рабочего
тела
6.1 Разработка и описание функциональной схемы системы хранения и подачи рабочего вещества
Функциональная схема системы электропитания ПИД представлена на чертеже ХАИ.06.441п.11.СГ.06. Блок системы подачи и хранения рабочего тела предназначен для хранения и подготовки соответствующего фазового состояния, а также для дозировки и подачи рабочего вещества в движитель.