Учебная работа. Проектирование плазменно-ионного двигателя

Учебная работа. Проектирование плазменно-ионного двигателя

5

УДК 629.7.064.5

Инв. № _______

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

Кафедра двигунів та енергоустановок ЛА

Проектування плазмово-іонного двигуна

РОЗРАХУНКОВО — ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

до проекту за курсом «Основи теорії та функціонування плазмових прискорювачів і енергетичних установок»

ХАИ.441.06.КР.11.ПЗ.00.00

Виконала

студентка гр.xxxxxx

xxxxxxxx.

эксперт

xxxxxxxxxx.

Нормоконтроль

xxxxxx.

Харків 2006

СОДЕРЖАНИЕ

• СОДЕРЖАНИЕ 2
• РЕФЕРАТ 4
• ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ 5
• ВВЕДЕНИЕ 11
• Задание 13
• 1 Расчет тяги ЭРД и определение его электронной мощности 14
• 2 Разработка и описание теоретического чертежа размещения ЭРД на спутнике 17
• 3 Разработка многофункциональной схемы двигательного блока. Описание схемы 18
• 4 Инженерный расчёт ПИД 20
• 4.1 Принцип работы ПИД и схема его расчета 20
• 4.2 Выбор рабочего тела для ПИД 21
• 4.3 Расчет характеристик ионно-оптической системы 22
• 4.4 Расчет характеристик газоразрядной камеры ПИД 27
• 4.5 Расчёт магнитного поля в ПИД 30
• 5 Разработка и описание теоретического чертежа мотора 37
• 6 Расчёт системы хранения и подачи рабочего тела 39
• 6.1 Разработка и описание многофункциональной схемы системы хранения и подачи рабочего вещества 39
• 6.2 Определение главных характеристик бака для хранения рабочего вещества 40
• 6.3 Расчет проектных характеристик ресивера 43
• 6.4 Расчет проектных характеристик термодросселя 46
• 6.5 Расчет проектных характеристик жиклера 47
• 7 Описание многофункциональной схемы системы электропитания ПИД 49
• 8 Разработка и описание теоретического чертежа двигательного блока 50
• 9 Разработка циклограммы энергопотребления 51
• Выводы 53
• Список ссылок 54
• приложение 55

РЕФЕРАТ

Страничек — 52, таблиц — 2, рисунков — 3.

Объектом разработки данного проекта является двигательная установка для стабилизации характеристик орбиты галлактического аппарата, мотивированным направлением которого является наблюдение за поверхностью Земли.

Цель работы — спроектировать электрореактивную двигательную установку на базе плазменно-ионного движителя. В процессе разработки использовались рекомендованные методики.

Произведен расчет характеристик и геометрических размеров плазменно-ионного движителя. Разработаны система хранения и подачи рабочего вещества (ксенона), описано функционирование двигательного блока. В согласовании с расчетами разработаны чертежи двигательного блока.

Галлактический аппарат, плазменно-ионный движитель, ионно-оптическая система, газоразрядная камера, магнитное поле, электрод, катод, ресивер, бак, потенциал ионизации, ускоряющее напряжение, действенная площадь движителя, плотность тока, стоимость иона, тяга движителя, массовый расход рабочего тела, удельный импульс движителя, время работы движителя.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

а — радиус орбиты галлактического аппарата относительно центра земли, км;

B — индукция магнитного поля,

— ширина полюсных наконечников,

— стоимость иона, эВ/ион;

— коэффициент аэродинамического сопротивления;

— расстояние меж электродами ионно-оптической системы, мм;

— поперечник бака,

— поперечник движителя, м;

— поперечник проволоки соленоида,

— поперечник ресивера,

— соответствующий поперечник галлактического аппарата, м;

— допускаемая напряжённость электронного поля меж электродами, В/см;

G — геометрический параметр ионно-оптической системы;

h — высота орбиты относительно поверхности Земли, км;

— ток соленоида,

— электрический ток с катода, А;

— ток ионного пучка, А;

— разрядный ток в газоразрядной камере, А;

— удельный импульс движителя, м/с;

— плотность тока, А/;

— плотность тока соленоида,

— коэффициент использования массы;

kз — гравитационный параметр Земли, км3/с2;

kрт коэффициент, учитывающий утрату рабочего тела при хранении;

— соответствующий размер камеры, длина разрядной камеры движителя,

— масса конструкции бака,

— масса заправленного бака,

— масса конструкции ресивера,

— нужный припас рабочего тела, кг;

— полная масса рабочего вещества в ресивере,

— текущая масса рабочего вещества в ресивере,

— масса рабочего вещества покинувшего объём ресивера,

— масса рабочего вещества, находящегося в ресивере в момент его наполнения,

— секундный массовый расход рабочего тела, кг/с;

— поступление массы рабочего вещества в ресивер в единицу времени, кг/с;

— число катушек соленоида;

— мощность, потребляемая двигательной установкой, Вт;

— средняя потребляемая мощность перегрузки, Вт;

— установившаяся мощность солнечной батареи, Вт;

— число включений и включений электроклапана;

— плотность ионов, количество ионов в единице объёма, 1/;

— плотность электронов, количество электронов в единице объёма, 1/;

— число отверстий в ионно-оптической системе;

— критичное давление, при котором происходит фазовый переход р.т.,

— наибольшее давление, которое быть может достигнуто в ресивере,

— тяга электроракетного движителя, Н;

— первеанс,

— давление снутри ресивера,

— давление снутри движителя,

— принимаемое давление хранения р.т.,

— всепригодная газовая неизменная, Дж?М/К;

Rатм — сила сопротивления атмосферы на данной орбите;

— радиус Земли, км;

— ларморовский радиус электронов,

— ларморовский радиус ионов,

— радиус наконечника катода,

— расстояние от оси движителя до полюсных наконечников,

— больший радиус тора, ресивера,

— соответствующий размер отверстия в электродах, м;

— наименьший радиус тора, ресивера,

— площадь боковой поверхности бака,

— площадь боковой поверхности ресивера,

— площадь отверстий в ионно-оптической системе, ;

— полная площадь сечения ПИД, м;

— площадь проволоки соленоида,

— соответствующая площадь поперечного сечения галлактического аппарата, ;

— действенная площадь сечения движителя, м;

T — период воззвания спутника вокруг Земли, с;

— критичная температура, при которой происходит фазовый переход р.т.,

— температура максвелловских электронов, К;

— температура, до которой бак может разогреться в критериях галлактического места,

— наибольшая температура, до которой ресивер может разогреться в УКП,

— температура снутри ресивера,

— принимаемая температура хранения р.т.,

— время наполнения всего объёма ресивера, с;

— время цикла работы ресивера, с;

— ускоряющее напряжение меж электродами ионно-оптической системы, В;

— объём бака,

— скорость истечения рабочего тела, ;

— скорость галлактического аппарата на орбите, км/с;

— объём ресивера,

— характеристическая скорость галлактического аппарата на орбите, км/с;

Xe — ксенон, рабочее тело движителя;

— напряжение разряда в газоразрядной камере, эВ;

— число ампер витков одной катушки;

— суммарное число ампер витков;

? — выработка рабочего тела из бака;

— коэффициент складирования;

— малая толщина стены бака,

— малая толщина стены ресивера,

— толщина ускоряющего электрода ионно-оптической системы, мм;

— толщина экранного электрода ионно-оптической системы, мм;

— толщина стены ресивера,

— прозрачность электродов;

— коэффициент полезного деяния движителя;

— плотность композиционного материала, из которого сделан бак,

— плотность воздуха на данной орбите, кг/м3;

— плотность материала ресивера,

— предел текучести,

— предел прочности,

— время существования галлактического аппарата, с;

— наибольшее время нахождения галлактического аппарата в тени Земли, с;

— малое время нахождения галлактического аппарата на световом участке, с;

— потенциал ионизации рабочего тела, эВ;

— 1-ый потенциал возбуждения рабочего тела, эВ;

ГРК — газоразрядная камера;

ДУ — двигательная установка;

ИОС — ионно-оптическая система;

ИСЗ — искусственный спутник Земли;

КА — галлактический аппарат;

КЛА — галлактический летательный аппарат;

КМ — композиционный материал;

КПД — коэффициент полезного деяния;

ПИД — плазменно-ионный движитель;

СХПРТ — система хранения и подачи рабочего тела;

УКП — условия галлактического места;

ЭРД — электроракетный движитель;

ЭРДУ — электроракетная двигательная установка.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие галлактических систем различного предназначения дозволяет в истинное время ставить и решать почти все научно-технические, оборонные и народнохозяйственные задачки конкретно в мироздании

В истинные время основное внимание уделяется разработкам ЭРДУ для выполнения последующих задач:

· стабилизация спутников: давления солнечной радиации.

· в интересах народного хозяйства: внедрение околоземного места для практических задач совершенствования связи, метеорологии, навигации, геодезии, разведки нужных ископаемых, мобилизации доп сельскохозяйственных ресурсов.

Электрореактивные движки (ЭРД) открыли новое направление в галлактическом двигателестроении. ЭРД различаются от имеющихся галлактических движков, работающих на хим топливах, наиболее высочайшей экономичностью, но сразу существенно наименьшей тяговооружённостью, возможностью получения малых единичных импульсов, огромным числом включений. вкупе с тем разделение источников энергии и рабочего вещества в ЭРД и внедрение электромагнитного поля для убыстрения рабочего вещества дозволяет существенно (на один-два порядка) прирастить удельный импульс, а соответственно и экономичность ЭРД по сопоставлению с хим реактивными движками. Это предназначает области применимости ЭРДУ для галлактических летательных аппаратов с большенными периодически активного функционирования (5-10 лет).

Задание

Спроектировать электрореактивную двигательную установку на базе плазменно-ионного движителя для ориентации орбиты искусственного спутника Земли.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

Таблица 1

1. Орбита — радиальная

=525 км

2. время существования КА

=6 лет

3. Соответствующий поперечник КА

=3 м

4. КПД ЭРД, движителя

1 Расчет тяги ЭРД и определение его электронной мощности

Определим скорость КА на данной орбите по формуле:

(км/с);

где k — гравитационный параметр Земли;

R — средний радиус Земли 6371 км;

h — высота орбиты 400 км.

движение галлактического аппарата зависит от возмущающих сил, которые равномерно изменяют элементы орбиты. Сначала на орбиту влияют несферичность орбиты Земли и неравномерность распределения масс на ее поверхности и в недрах. Возмущения орбиты появляются также из-за сопротивления земной атмосферы, притяжения остальных небесных тел, давление солнечного света. Главные возмущения спутниковых орбит вызваны несферичностью Земли и сопротивлением атмосферы.

Включение бортовой двигательной установки на базе ЭРД дозволяет восполнить эти возмущения. При определении тяги ЭРД можно представить, что для поддержания КА на данной радиальный орбите ЭРД должен восполнить утрату скорости аппарата, вызванную лишь сопротивлением, оказываемым атмосферой на данной орбите:

(1.1)

Sэфф — площадь поперечного сечения аппарата;

Сx=1..2 — коэффициент аэродинамического сопротивления;

?b=1,57·10-11 — плотность атмосферы на орбите h=400км.

Для исходного расчета эффективную площадь можно найти из последующего выражения:

(1.2)

Для выполнения собственной задачки ЭРД врубается временами и время его работы составляет 10% от времени функционирования КА на орбите. Тяга ЭРД обязана быть увеличена во столько раз, сколько уменьшено время работы мотора.

РЭРД=

Удельный импульс определим из выражения:

(1.3)

=0.7 — КПД электроракетного мотора;

Вычисляем надобную электронную мощность ЭРД:

(1.4)

По приобретенному значению удельного импульса определяем тип ЭРД. Принимаем в качестве электрореактивного движителя ПИД.

Для обеспечения работы ПИД в течение нужного времени ЭРДУ обязана включать в себя припас рабочего тела. Для того чтоб найти этот припас, нужно знать расход рабочего тела через движитель. Отчасти ответ на этот вопросец может отдать величина ионного тока. Но не весь расход, превращаясь в ионы, покидает движитель в виде ионной струи. часть нейтральных атомов рабочего тела не ионизируется в ГРК и проходит через электроды ИОС. Величиной, характеризующей степень совершенства использования рабочего тела, является м, либо коэффициент использования рабочего тела. Реально достигнутый спектр м лежит в границах 0,80,9. Выбрав лучшую величину м, определим настоящий секундный расход рабочего тела. Для этого создадим пересчет скорости истечения рабочего вещества из ПИДа:

м/с (1.5)

(1.6)

m*эд настоящий секундный расход рабочего тела.

Зная ресурс работы ЭРДУ, найдем общий припас рабочего тела:

(1.6)

где kрт коэффициент, учитывающий утрату рабочего тела при хранении (kрт~1,01?1,05), принимаем равным 1,03.

Расчеты проведены по методическому пособию [1].

2 Разработка и описание теоретического чертежа размещения ЭРД на спутнике
На чертеже (ХАИ.06.441п.11.ТЧ.02.) приведен спроектированный галлактический аппарат (1). Фотоэлектрическая батарея (2) нацелена и представляет собой 2 панели, в любом положении КА солнечные батареи обеспечивают надобную мощность. Галлактический аппарат предназначен для дистанционного зондирования Земли.
Двигательная установка (3) размещена таковым образом, что вектор тяги проходит через центр тяжести аппарата, и лежит на одной прямой с вектором направления движения. По условиям задания КА должен двигаться по радиальный орбите на высоте h=400км, и в любом месте орбиты продольная ось аппарата обязана быть направленной на землю. Время функционирования составляет 10 процентов от времени существования КА, т.е. . Для выполнения данной задачки, недостаточно внедрения 1-го движителя, потому принято решение установить на КА два движителя, работающих посменно. Опосля того как 1-ый ПИД отработает собственный ресурс, нужно будет повернуть КА в пространстве так, чтоб вектор тяги запасного ПИДа проходил через центр тяжести КА и лежал на оси направления движения. На борту КА установлена измерительная аппаратура, позволяющая проводить исследование уровня радиации, зондировать поверхность Земли, определять давление и температуру на соответственной высоте.
3 Разработка многофункциональной схемы двигательного блока. Описание схемы
Многофункциональная схема (ХАИ.06.441.11.СГ.03.) дает подробное совокупа многофункциональных частей соединенных меж собой. На данной схеме представлены прямые и оборотные связи, по которым происходит обмен информацией меж элементами.
На многофункциональной схеме представлены последующие элементы
1. Система управления (СУ);
1. Энергоустановка КА;
2. Система управления двигательной установкой (суду);
3. Система электропитания (СЭП);
4. СХПРТ;
5. Двигательный блок (ДБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений)).
Система управления имеет связи практически со всеми элементами схемы. Это разъясняется тем, что она играет главную роль в работе движителя — координирует работу остальных систем.
Энергоустановка снабжает энергией все элементы движительного блока. Она не является объектом разработки в данной курсовой работе, но без нее работа движителя невозможна. Она имеет прямые и оборотные связи с системой управления.
Система хранения и подачи рабочего тела обеспечивает хранение рабочего тела (в нашем случае это ксенон) во время полета, также последующую его подачу в ДБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений) через сложную систему датчиков, которые верно регулируют как количество, так и давление рабочего тела в трубопроводе, клапанов, которые употребляют для своевременной подачи либо отключения подачи рабочего тела в полость трубопровода либо на его выходе и т.д.
ДБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений) на структурной схеме состоит из ДБ1 и ДБ2, потому что это нужно для увеличения надежности. ДБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений) является пользователем электроэнергии и рабочего тела.
4 Инженерный расчёт ПИД
4.1 Механизм работы ПИД и схема его расчета

Для проведения инженерного расчёта ПИД нужно изучить механизм, определяющий его работу и конструктивные индивидуальности. Набросок 4.1 иллюстрирует процессы, включающие в себя рождение и убыстрение ионов. Электроны, эмитируемые катодом, ускоряются электронным полем (возникающим благодаря напряжению, приложенному к уровню) и соударяются с нейтральными частичками рабочего вещества, ионизируя его. В итоге таковых столкновений образуются ионы и электроны. Ионы под действием электростатических полей движутся к ИОС, а электроны к аноду. Для роста времени жизни электронов, в ГРК движителя делают магнитные поля осевой, круговой либо пристеночной конфигурации. Степень ионизации зависит от энергии электронов и их концентрации в рабочем объёме ГРК, также от концентрации рабочего вещества. Концентрация рабочего вещества зависит от тяги движителя, которую нужно обеспечить, и является функцией массового расхода, энергия электронов зависит от тока и напряжения катода.

Набросок 4.1 Схема столкновений в ГРК ПИД.

На рисунке 4.1 чёрными точками обозначены первичные электроны, которые при столкновении с нейтральными атомами (обозначенные буковкой n в кружочке) образуют пару электрон-ион. Под действием электростатических сил электроны движутся к аноду, а ионы к ИОС. Столкновения электронов с нейтральными частичками рабочего тела приводит к возникновению вторичных электронов и перераспределению меж ними энергии. В ПИД первичные и вторичные электроны находятся вместе. Хотя концентрация первичных электронов мала (меньше 10% суммарной концентрации электронов), примерно половина всех актов ионизации происходит обычно при их участии.

Ионизация атомов рабочего тела происходит из возбуждённого состояния, пореже из метастабильных состояний. движение ионов в ГРК определяется основным образом потенциалом плазмы. При всем этом магнитное поле имеет маленькое воздействие на направление движения ионов, так как величина ларморовского радиуса ионов как минимум на порядок превосходит соответствующий размер движителя.

Ион-ионные столкновения слабо влияют на общее направление движения ионов, т.к. ионы ускоряются в главном в направлении градиента потенциала плазмы, а, как следует, все ионы в данной точке двигаются в одном общем направлении. Как следует, ион-ионные столкновения должны не достаточно влиять на движение потока ионов.

Часть ионов, которая движится к ускоряющим электродам, пересекает плазменный слой около экранирующего электрода и, ускоряясь напряжением в несколько киловольт, покидает электроды ИОС систему ПИД, создавая тягу движителя.

4.2 Выбор рабочего тела для ПИД

На первичном шаге разработки ПИД в качестве рабочих тел употребляли сплавы. Их выбор был связан в главном с самими ускорителями, а не определялся всей неувязкой КЛА в целом. Сплавы предпочтительны из-за собственного огромного атомного веса, высочайшей плотности рабочего тела, а в случае цезия — из-за низкого потенциала ионизации. Но, при внедрение железных рабочих тел возникает неувязка их конденсации на КА, а в случае внедрения огромных галлактических ЭРДУ значимым является и стоимость рабочего тела. В связи с сиим возникает энтузиазм к газообразным рабочим телам. При выбирании рабочего тела нужно принимать во внимание весь комплекс требований предъявляемых к рабочему веществу. Не одно рабочее тело не владеет таковыми качествами, которые сразу удовлетворяли бы всем предъявляемым к нему требованиям. Потому при выбирании рабочего тела следует систематизацию требований по их значимости для проектируемого движителя, которые определяются конструктором.

В расчёте данного движителя предпочтение отдаётся газообразным рабочим субстанциям, что соединено с простотой СХПРТ, работающем на газообразном рабочем теле, и его малой массой, также высочайшей надёжностью ЭРДУ в целом. При выбирании рабочего тела нужно учесть его удельные и энерго свойства. лучше употреблять такие вещества, у каких маленький потенциал ионизации в сочетании с большенный молекулярной массой. Маленький потенциал ионизации описывает малые Издержки энергии подводимой на катод для ионизации рабочего вещества. Масса иона рабочего тела описывает тяговые свойства движителя, также объём рабочего вещества, который нужно запасти для функционирования движителя в течение данного промежутка времени.

Из всех газообразных веществ, применяемых в качестве рабочего тела для ЭРД, в данном проекте выбирается инертный газ ксенон, который имеет малый потенциал ионизации при высочайшей молекулярной массе иона.

4.3 Расчет характеристик ионно-оптической системы

Скорость истечения рабочего тела для ионного движителя равна (для однократно заряженных ионов):

(4.1)

где е — заряд электрона (1,6•10-19 Кл);

mi — масса иона ( для ксенона );

Uуск — напряжение меж электродами ионно-оптической системы, В.

Но потому что ? понятно из формулы (1.5), то из формулы (4.1) определяем нужное ускоряющее напряжение:

(4.2)

Выражение для тяги ионного движителя с однократно заряженными ионами запишем так:

(4.3)

где PЭРД — тяга ПИД, Н;

Ii — ток ионного пучка, А.

Из выражения (4.3) можем найти ток ионного пучка Ii, нужный при данном напряжении U для получения тяги R:

(4.4)

Ионно-оптическая система является одним из главных узлов, определяющих работу плазменно-ионного движителя. Четкие расчеты, проектирование и изготовка ее электродов наращивает тяговый КПД движителя и его ресурс.

При расчете и проектировании ионно-оптических систем нужно учесть закономерности интенсивных ионных течений в стационарных электронных полях в критериях вакуума. Мерой интенсивности течений является его первеанс Р, определяемый как отношение тока пучка Ii к ускоряющему напряжению U в степени три вторых:

(4.5)

Плотность тока для варианта одномерного течения однозарядных ионов меж плоскими параллельными электродами записывается последующим образом:

(4.6)

где j — плотность тока в ПИД, А/м2;

?о — электронная неизменная, равная 8,85•10-12 Ф•м-1;

d — расстояние меж электродами ИОС, м;

?экр — толщина экранного электрода, м;

?уск — толщина ускоряющего электрода, м;

е — заряд электрона, Кл;

mi — масса иона, кг.

Принимаем ?экр=1•10-3 м, ?уск=1.5•10-3 м [1].

Выбор расстояния меж электродами d зависит от нескольких причин: во-1-х, потому что к электродам ИОС приложены разные потенциалы, то действует электростатическая сила схлопывания; во-2-х, неравномерные термо потоки вызывают температурные напряжения в сетках, которые приводят к их деформации (в итоге этого локальное изменение зазора быть может весьма огромным); в-3-х, потому что меж электродами ИОС приложено высочайшее напряжение, то уменьшение зазора может привести к нарушению диэлектрической прочности и, как следствие, к высоковольтному пробою, что нарушает работу движителя и может вывести его из строя. Примем допускаемую напряженность электронного поля равной Еmax=106 В/м. Таковым образом, зная напряжение меж электродами ИОС и выбрав допустимую величину Еmax, можем найти зазор меж электродами:

(4.7)

Вычисляем плотность ионного тока в пучке:

(4.8)

Таковым образом, подсчитав плотность тока в ПИД, определим эффективную площадь сечения:

(4.9)

Полная площадь сечения ПИД:

(4.10)

где ? — прозрачность электродов, показывающая, какую часть от полной поверхности электрода составляет суммарная площадь всех отверстий.

Из формулы (1.16) видно, что чем больше ?, тем наиболее совершенна ионно-оптическая система. Но наибольшая величина ? ограничена 2-мя факторами: во-1-х, ресурсом, во-2-х, технологическими способностями. Наиболее значимым является 2-ой фактор. Следствием большенный прозрачности является малая толщина перемычки меж отверстиями. В случае получения отверстия способом сверления наибольшая прозрачность будет равна ?=0,7.

Как следует, выбрав величину ?, можно найти Sполн:

По Sполн находим поперечник ПИД:

(4.11)

Принципиальной чертой фокусируемых пучков является их геометрический параметр, равный отношению поперечника цилиндрического пучка 2•ro к расстоянию d меж электродами ускорителя, в каком сфокусирован пучок:

(4.12)

Опыт сотворения фокусирующих систем указывает, что фокусировка интенсивных пучков с геометрическим параметром, огромным 1-3, представляет собой трудноразрешимую задачку. При R0>3…5 градиенты потенциала в направлении, перпендикулярном оси пучка, стают настолько значительными, что формирование параллельного пучка при помощи наружных фокусирующих электродов становится фактически неосуществимым. Исходя из вышесказанного, задаемся значением R0=2. Считаем, что поперечник отверстий в электродах ускоряющей системы ПИД равен поперечнику цилиндрического пучка, тогда получим:

Зная поперечник, а, как следует, и площадь 1-го отверстия, находим их общее число:

(4.13)

Более хорошей является сферическая система ИОС. Её преимуществом (по сопоставлению с плоской) является однонаправленное изменение формы электродов под действием термических нагрузок, в итоге чего же межэлектродный зазор изменяется в процессе работы на незначимую величину. Не считая того, сферические электроды владеют завышенной жёсткостью, что наращивает их резонансную частоту.

Огромное должен владеть последующими качествами: высочайшей температурой плавления, неплохой теплопроводимостью, наибольшей работой выхода, неплохой технологичностью. Для производства электродов избираем молибден, т.к. это один из более пригодных материалов, отвечающий перечисленным требованиям.

При конструировании электродов ИОС нужно делать последующие требования:

1. Система обязана обеспечивать малое изменение величины межэлектродного зазора. В процессе работы ПИД число высоковольтных пробоев обязано быть сведено к минимуму.

2. Масса конструкции обязана быть малой.

3. Резонансная частота сетки обязана быть больше 200Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ).

Крайнее требование вызвано наличием вибрационных нагрузок, которые испытывает КА при старте с Земли, при выходе на орбиту. Уровень частот вибраций лежит в границах 130-180 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ).

4.4 Расчет характеристик газоразрядной камеры ПИД

Одним из основных характеристик газоразрядной камеры является напряжение разряда . Эта величина зависит от почти всех причин и, до этого всего, от первого потенциала ионизации рабочего тела ?i. В безупречном случае:

(4.14)

где — работа выхода электрона из материала катода; — потенциал ионизации рабочего тела, в нашем случае Xe (=12,13 эВ) [3].

Но в настоящих системах есть разные утраты, которые требуют роста мощности, вкладываемой в разряд, к примеру утраты на неупругие соударения, происходящие в итоге возбуждения и следующего высвечивания, и перенос энергии электронами к аноду. Иным видом утрат является рекомбинация ионов плазмы на внутренних поверхностях ГРК и следующая ионизация образовавшихся нейтральных атомов. С учётом выше описанного и результатов экспериментальных исследовательских работ разных моделей ПИД можно создать последующий вывод:

48,52 эВ (4.15)

Аналогичное выражение можно вывести для величины разрядного тока Ip, основываясь на экспериментальной связи разрядного тока с током ионного пучка:

А (4.16)

Зная и , по формуле (3.2) [2] рассчитывается стоимость иона . Лучший уровень величины , лежит в спектре 160…240 эВ/ион, причём нижний уровень характерен для рабочих тел с низким потенциалом ионизации (к примеру, цезий, ртуть).

194,08 эВ/ион (4.17)

Одним из принципиальных узлов ГРК является катодный узел. Общие требования, предъявляемые к катодам: катод должен быть сконструирован и сделан так, чтоб он обеспечивал нужный электрический ток в течение всего времени работы движителя. В предположении малости ионного тока на анод можно записать, что [2]:

А (4.18)

где Iе — электрический ток с катода;

Iр — разрядный ток;

Ii — ионный ток пучка.

Стабильность работы катода в течение долгого времени для ПИД является неувязкой, которая стопроцентно не решена. Ресурс более доведённых катодов составляет 10000 ч. Но к концу ресурса энергетический КПД, как правило, усугубляется на 20% [2].

Вторым электродом (положительным) в разрядной системе является анод. Анод обычно имеет форму диска, цилиндра либо конуса. Его система и положение зависят от типа ГРК. При конструировании ПИД нужно знать термо свойства ПИД для того, чтоб верно избрать материалы, из которых делаются разные узлы движителя и сконструировать отдельные детали движителя и поверхности их контакта. При определении отдельных конструктивных и рабочих черт ПИД (к примеру, при расчёте величины индукции магнитного поля) нужно знать характеристики плазмы в объёме ГРК. Для определения плотности тока и плотности ионов , также плотности электронов , нужно знать температуру максвелловских электронов (ионов) и температуру первичных электронов (ионизирующих р.т.), и используя бомовский аспект стойкости и уравнение неразрывности для ионов, определяется средняя плотность плазмы. Бомовский аспект устанавливает минимальную энергию иона, нужную для формирования устойчивого слоя. При обычной работе движителя слои устойчивы, потому можно ждать выполнения аспекта:

(4.19)

Используя равенство (1.29) определим скорость ионов в ГРК, что дозволит в предстоящем провести расчёт магнитного поля движителя:

, (4.20)

где — масса иона ( [3]);

— неизменная Больцмана ( Дж/град. [3]);

— скорость иона в ГРК, м/с;

— температура первичных электронов (, где эВ — потенциал ионизации рабочего тела, понятно, что 1эВ=11600 к, тогда 140708 К [3]).

Используя законсохранения энергии определим скорость электронов в ГРК движителя:

, (4.21)

где — масса электрона ( [3]);

— скорость электронов в ГРК, м/с;

— температура группы неспешных максвеловских электронов (, где эВ — 1-ый потенциал возбуждения рабочего тела, понятно, что 1эВ=11600 к, тогда 98020 К [3]).

Используя уравнение , где — плотность ионов (электронов) в ГРК, а — скорость ионов (электронов) в ГРК движителя, и используя уравнения (4.20 и 4.21), можем найти плотность ионов и плотность электронов в ГРК движителя:

(4.22)

(4.23)

Таковым образом, в итоге расчётов определены характеристики разряда плазмы в ГРК:

1. Напряжение разряда в ГРК, =48,52 эВ;

2. Разрядный ток в ГРК, =5,36 А;

3. Стоимость иона, =194,08 эВ/ион;

4. электрический ток с катода, =6,7 А;

5. Плотность ионов, количество ионов в единице объёма, 1/

6. Плотность электронов, т. е. количество электронов в единице объёма, ;

Для обеспечения работы ПИД в течение нужного времени ЭРДУ обязана включать в себя припас рабочего тела. Для того чтоб найти этот припас, нужно знать расход рабочего тела через движитель. Отчасти ответ на этот вопросец может отдать величина ионного тока. Но не весь расход, превращаясь в ионы, покидает движитель в виде ионной струи. часть нейтральных атомов рабочего тела не ионизируется в ГРК и проходит через электроды ИОС. Величиной, характеризующей степень полноты использования рабочего тела, является м, либо коэффициент использования рабочего тела. Реально достигнутый спектр м лежит в границах 0,80,9 [1]. Коэффициент использования рабочего тела можно найти из графика зависимости Сi(м) [1], он равен 0,9.

4.5 Расчёт магнитного поля в ПИД

Более принципиальным фактором, определяющим работу ГРК ПИД, является магнитное поле, его величина, форма силовых линий. Главная роль магнитного поля — прирастить время существования электронов, что улучшает энергетический КПД ГРК. Не считая того, магнитное поле оказывает воздействие на распределение плотности плазмы по сечению движителя перед экранным электродом ИОС.

Однородная плотность тока по сечению движителя является одним из критерий получения наибольшей тяги, которая реализуется при работе всех отверстий электродов ИОС при критериях наибольшего тока насыщения. Однородность ионного пучка нужна для устранения локальной эрозии сетки ускорителя. Интенсивность эрозии электродов ИОС является функцией скорости резонансной перезарядки, которая пропорциональна местной плотности ионного тока. Для большинства ПИД соответствующей является пиковая плотность потока и, как следствие, наибольшая эрозия электродов по оси движителя.

Исследования профиля ионного пучка в моделях ПИД с осевым магнитным полем проявили, что в пучке существует центральная область высочайшей интенсивности, образованная плотным плазменным столбом, размещенным вдоль оси ГРК. Размер этого столба в области пересечения с экранным электродом (т.е. в том месте, где экстрагируются ионы) определяется поперечником катода, индукцией и формой силовых линий магнитного поля.

Для уменьшения градиента плотности плазмы в круговом направлении можно употреблять, по последней мере, четыре способа. 1-ый способ — повышение площади, с которой эмитируются электроны за счет роста площади катода, или несколькими катодами малого размера, что усложняет систему и наращивает утраты мощности. 2-ой способ — внедрение в конструкции дефлектора, что ведёт к механическому усложнению конструкции, затруднению зажигания разряда и повышению напряжения его горения. 3-ий способ — изменение формы силовых линий магнитного поля таковым образом, чтоб распределение плотности плазмы вдоль экранного электрода было наиболее однородным. Четвёртый способ — освобождение объёма ГРК от силовых линий магнитного поля и сосредоточения их в пристеночных областях.

Более используемые конструкции — это движители с расходящимся магнитным полем, круговым и пристеночным (так именуемые мультипольные).

Движитель с расходящимся магнитным полем — более отработанная модель. Она возникла в итоге развития конструкции движителя с осевым магнитным полем. При отработке данной нам модели было выявлено принципиальное правило проектирования магнитных полей в объёме ГРК: критичные силовые полосы магнитного поля, т.е. полосы, выходящие из последних отверстий катодного блока, не должны пересекать анод и экранный электрод. Но в моделях ПИД с расходящимся магнитным полем не было достигнуто однородности в распределении плотности тока по сечению. Вкупе с тем существует система с осевым магнитным полем, индукция которого зависит от радиуса так, что она (индукция) мала в центре камеры и растет по мере приближения к аноду. Таковая структура поля даёт электронам возможность двигаться по линии движения большего радиуса, но принуждает их отражаться назад, когда они добиваются анода. Наиболее однородное распределение плотности ионного тока было получено у моделей ПИД с круговым магнитным полем. Так как коэффициент диффузии в направлении, параллельном линиям магнитного поля, является намного огромным, чем при обычном, таковая сборка обязана уменьшить градиент плотности плазмы по радиусу. Магнитное поле движителей с пристеночным магнитным полем сосредоточено у стен. Его силовые полосы закрывают аноды, препятствуя резвому прохождению электронов к аноду. Поля рассеяния стремительно спадают по мере удаления от полюсных наконечников, и напряжённость магнитного поля становится пренебрежимо малой во всём объёме ГРК. Выполнение этого условия обеспечивает свободное прохождение первичных электронов, испускаемых катодом и создание однородной плазмы.

При проектировании магнитных систем ПИД нужно учесть, до этого всего, два момента: 1-ый — критичные силовые полосы магнитного поля не должны пересекать анод и рабочую часть экранного электрода ИОС, 2-ой — величина индукции магнитного поля обязана быть таковой, чтоб ларморовский радиус первичных электронов был существенно меньше соответствующего размера, а ларморовский радиус первичных ионов был больше соответствующего размера, т.е. обязано выполнятся последующее условие:

(4.20)

Зная поперечник разрядной камеры (поперечник ИОС) и исходя из опыта использования ПИД, было установлено, что более целенаправлено использовать движители, у каких длина ГРК составляет порядка от 0,3 до 0,2 поперечника ИОС.

. 4.21)

Используя уравнение для определения силы Лоренца и 2-ой закон Ньютона, а, также задавшись ларморовским радиусом ионов, приняв ларморовский радиус ионов на порядок больше чем соответствующий размер камеры м, определим нужную индукцию магнитного поля:

(4.22)

Как следует, индукция магнитного поля будет определяться как:

. (4.23)

Определив нужную индукцию магнитного поля, рассчитывается ларморовский радиус электронов:

. (4.24)

Опосля определения ларморовского радиуса электронов и ионов, проверяется условие (4.20), если оно производится, то расчет проведён верно.

Исходя из того, что распределение плотности ионного тока у моделей ПИД с круговым магнитным полем наиболее однородно, чем у движителя с расходящимся либо осевым магнитным полем, а, также беря во внимание, что создание движителя с пристеночным магнитным полем (мультипольное магнитное поле) довольно трудно с технологической точки зрения, по сопоставлению с созданием движителя с круговым магнитным полем. Учтя всё выше произнесенное, для проектируемого ПИД, выбирается схема с круговым магнитным полем. На рисунке 4.2 приведена расчётная схема магнитной цепи для кругового поля.

Набросок 4.2. Расчётная схема магнитной цепи для кругового поля.

Существует две схемы кругового магнитного поля в ПИД: с наружными магнитными полюсами (т.е. магнитный полюс находится за стеной ГРК, а материал ГРК камеры подбирается магнитопроводящим) и со встроенными полюсами (т.е. магнитный полюс встроен в стену ГРК). В данном проекте выбирается схема магнитной цепи с наружными полюсами, как следует, расстояние от оси движителя до полюсных наконечников будет определяться как:

. (4.25)

где — ширина полюсного наконечника.

Исходя из опыта внедрения полых катодов в ПИД, а, также используя советы, 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, потому что это дозволяет обеспечить минимум два соударения электрона с ионизируемым рабочем телом, что дозволяет обеспечить наиболее высшую плотность ионов на входе ИОС, а, как следует, и огромную тягу движителя, также выбор по такому аспекту ширины полюсного наконечника наращивает время жизни электрона.

Таковым образом, используя законОма для магнитной цепи, определим число ампер-витков нужные для сотворения магнитного поля в объёме ГРК с индукцией В:

(4.28)

(4.29)

где — магнитная проницаемость среды ().

Для предстоящего расчёта магнитного поля ПИД нужно избрать материал для катушек соленоида и поперечник провода. Как правило, в индустрии употребляют проводники из алюминия либо меди. Определяющими аспектами в выборе материала являются его плотность и электропроводность, потому что плотность меди в 3-2 раза выше плотности алюминия, потому при равных размерах катушка с обмоткой из алюминия оказывается существенно легче, чем катушка из меди. Но электропроводность алюминия составляет лишь 60% электропроводности меди, потому мощность, потребляемая катушкой из алюминия, в 1,67 раза превосходит мощность, потребляемую катушкой из меди, создающей то же поле, если размеры катушки схожи. Исходя из всего произнесенного выше и беря во внимание завышенные требования, предъявляемые к энергопотреблению движителя, проводник для катушки избираем поперечником один мм из меди. По советам, 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)

Таковым образом, определив ток и задавшись поперечником проволоки соленоида, и зная суммарное число ампер витков, можно поначалу найти суммарное число витков соленоида, которое обеспечит нужную индукцию магнитного поля, а потом, задавшись числом катушек (так для наиболее равномерного распределения магнитного поля в ГРК ПИД и для упрощения конструкции ПИД принимаем число катушек равным 6 (n=6).

(4.31)

определим число витков одной катушки:

(4.32)

· По плодами расчёта магнитного поля определены последующие величины:

· индукция магнитного поля, Тл;

· Геометрические характеристики 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 мотора
Плазменный ионный движитель представляет собой устройство, в каком создание тяги основано на принципе убыстрения заряженных частиц.
Вид плазменного-ионного мотора представлен на чертеже ХАИ.06.441п.11.TЧ.04. Заряженные частички образуются в части движителя, которая именуется газоразрядной камерой (ГРК) (6). В состав ГРК входят катодный узел (13), анод (1), и конкретно 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 частичками РТ и присваивают им положительный заряд. Для контроля над действием ионизации и роста коэффициента полезного деяния движителя в систему введены доп элементы — магнитопровод (10) и полюсный наконечник (18), которые составляют магнитную систему. Магнитная система делает в ГРК магнитное поле, генерируемое катушками индуктивности (17), которое держит электроны в зоне ионизации и не дозволяет им оседать на стены камеры.
процесс убыстрения заряженных частиц осуществляется с помощью ионно- оптической системы ИОС. ИОС представляет собой два разноименно заряженных электрода. Внешний электрод (5) (т. е. ускоряющий электрод) заряжен негативно, конкретно благодаря ему происходит убыстрение. Ионы ускоряются электростатическим полем с разностью потенциалов ~ 500 В.
На срезе движителя имеется катод — компенсатор (2), установленный на особом кронштейне. задачка катода-компенсатора — снижение большого 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 предупреждают появление замыкания в ГРК ПИД.
6 Расчёт системы хранения и подачи рабочего
тела
6.1 Разработка и описание многофункциональной схемы системы хранения и подачи рабочего вещества

Многофункциональная 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 соответственного фазового состояния, также для дозы и подачи рабочего вещества в движитель.
Система хранения и подачи состоит из трёх главных частей:
· а) система хранения;
· б) система дросселирования;
· в) система регулирования и распределения.
Система хранения обеспечивает сохранение рабочего вещества в определённом фазовом состоянии с момента заправки в течение всего срока хранения и эксплуатации ДУ в данных критериях.
Система дросселирования служит для понижения давления рабочего вещества, поступающего из бака, до определённого уровня и поддержания его на этом уровне в данных границах.
Система регулирования и распределения создана для обеспечения данного расхода вещества и подачи его в движитель.
Главными элементами системы хранения являются:
· а) бак, представляющий из себя ёмкость сферической формы и созданный для хранения рабочего вещества;
· б) заправочная горловина — устройство для заправки и слива рабочего вещества;
· в) датчик давления — устройство, контролирующий давление рабочего вещества в баке;
· г) пироклапан отсекает систему хранения от системы подачи до начала эксплуатации.
Система дросселирования включает:
· а) жиклер, созданный для снижения давления до данного значения;
· б) ресивер — промежная ёмкость в магистрали подачи, в какой поддерживается давление рабочего вещества на данном определённом уровне;
· в) электроклапан, поддерживающий максимально допустимое давление в ресивере.
Система регулирования рабочего вещества состоит из последующих частей:
· а) жиклёров, электроклапанов, и термодросселей, обеспечивающих данные расходы в элементы движителя;
· б) электроклапана (ЭК3), созданного для стравления воздуха перед началом работы мотора.
Потому что в данной работе учитывается резервирование движков. то в СХПРТ предвидено две системы подачи рабочего тела раздельно для всякого мотора.
Расчет системы хранения и подачи рабочего вещества проводим по методическому пособию [3].
6.2 Определение главных характеристик бака для хранения рабочего вещества

Бак рабочего вещества по собственному размеру и массе составляет самую большую часть движительной установки. Требования к материалу и конструкции бака определяются видом избранного рабочего вещества и схемой системы подачи.
Главные требования к баку:
а) малая масса;
б) крепкость;
в) плотность;
г) коррозионная стойкость;
д) сопоставимость с избранным рабочим веществом.
Запишем уравнение состояния газа, беря во внимание то, что газ при заправке находился под давлением Ро и температуре То:
(6.1)
R=8.31 Дж?М/К- всепригодная газовая постояння.
Определим из формулы (6.1) размер бака, т.е. размер рабочего тела Vо, приняв значение Ро=5·106 Па (т.к. не обязано превосходить критичное давление Ркр) и То=293 К (температура при обычных критериях):
Зная размер бака, найдем его поперечник dб:
(6.2)

Если поменялись условия хранения газа в баке (т.е. То выросла до Тmax), то уравнение состояния газа воспримет последующий вид:

Разделив уравнения состояния для 2-ух случаев (Р=Рmax, Т=Тmax и Р=Ро, Т=То) друг на друга получим:

(6.3)

Величину наибольшей температуры Тmax примем равную 400 К.

Зная величину Тmax, определяем Рmax:

(6.4)

Па.

Напряжения, возникающие в стенах бака из-за давления Р, определяются по формуле:

. (6.5)

Наибольшие напряжения будут возникать в стенах бака при Р=Рmax:

(6.6)

Зная [?] (в качестве материала, из которого делается бак, избираем титановый сплав ВТ5, для него степень черноты равна 0,63 [3], допускаемое напряжение (условный предел текучести) — [?]=800 МПа) и беря во внимание то, что ?[?], вычисляем минимальную толщину стены бака:

, (6.7)

где — коэффициент припаса.

Для обеспечения достаточной жесткости, чтоб употреблять бак, как силовой элемент конструкции СХПРТ, принимаем, с учетом коэффициента припаса прочности (для сферы), принимаем , тогда

Масса конструкции бака равна:

(6.8)

.

Масса заправленного газом бака равна:

(6.9)

Принципиальной чертой для СХПРТ, является коэффициент складирования, который указывает, во сколько раз масса заправленного бака больше массы лежащего в нём рабочего тела.

Наилучшей конструкцией бака считается система, у которой ? воспринимает меньшее

Следует учитывать то, что в использованных формулах мы третировали конфигурацией размера бака при расширении материала его конструкции при нагревании.

Рассчитанная ёмкость для хранения р.т. имеет последующие конструктивные характеристики:

1. Сферическая форма бака;

2. Масса бака ;

3. Масса заправленного бака ;

4. Коэффициент складирования

5. Рабочее тело хранится в газообразном состоянии.

6.3 Расчет проектных характеристик ресивера

Ресивер служит для выравнивания пульсаций давления при подаче рабочего тела из бака и стабилизации характеристик газа в магистрали.
Из бака газообразное рабочее тело поступает в ресивер. Перед ресивером стоит электроклапан, который при открытии открывает доступ газу в ресивер. Электроклапан раскрывается в том случае, когда давление газа в ресивере свалилось ниже установленного значения и открывает доступ газу. Как давление в ресивере достигнет требуемой величины, электроклапан запирается. давление в ресивере устанавливается постоянно таковым, чтоб оно было постоянно выше давления в движителе. Величина Pрес min задается системой управления для обеспечения расхода рабочего тела с данной точностью. Система управления задает работу СХПРТ таковым образом, чтоб ?Мрес/Мрес 1. При неизменном расходе рабочего тела давление в системе всегда изменяется.
При работе движителя, как правило, нужно выполнение условия m*эд=const.
Масса рабочего тела в ресивере:
. (6.10)
При m*эд=const получаем:
(6.11)
время цикла tцикла определяется последующим образом. Из технического задания понятно общее время работы движительной установки. Электроклапан перед ресивером имеет гарантированное изготовителем число включений и выключений nвкл, которое, как правило, равно 10000. Беря во внимание это, получим:
(6.12)
Тогда определим величину ?Мрес:
(6.13)
Выработка из ресивера рабочего тела ? за один цикл составляет:
(6.14)
Как демонстрируют экспериментальные исследования величина ?, как правило, не обязана превосходить 3%. Примем наибольшее давление в ресивере обычно составляет 2?105 Па.
Определим размер ресивера:
(6.16)

Зная геометрическую форму бака, подбираем геометрическую форму ресивера. Форма резервуара ресивера обязана быть таковой, чтоб компоновочная схема СХПРТ занимала меньший объём на КЛА. Для бака сферической конфигурации более целенаправлено использовать ресивер, имеющий конфигурацию тора.

]]>