Ионно-плазменные двигатели с высоко-частотной безэлектродной ионизацией рабочего тела - Реферат

Двигатели малых тяг, которые осуществляют коррекцию и стабилизацию таких космических аппаратов, обладают некоторыми особенностями, например, длительным ресурсом, высокой надежностью, оптимальной «ценой» тяги (отношение энергетических затрат к единице тяги). Для обеспечения долгосрочного ресурса необходимо уменьшить температуру конструктивных элементов плазменных движителей, плазма не должна взаимодействовать с элементами конструкции. Мы получили следующие результаты: при скоростях истечения рабочего тела 1000-9000 м/с термоэлектрические движители работают надежно, а в настоящее время создаются движители со скоростями истечения рабочего тела 2000-20000 м/с. Повышение температуры плазмы в движителях такого типа приводят к повышению удельного импульса. такие движители обеспечивают характеристическую скорость в требуемом диапазоне скоростей истечения, которую движители других типов не могут обеспечить;Применение ионных плазменных двигателей малой тяги на геостационарных спутниках имеет следующие преимущества: уменьшение стартовой массы, увеличение массы полезного груза и ресурса спутника. 1, 2 Стартовая масса спутника и зависимость сухой массы спутника от применяемой на нем двигательной установки Как показано на рисунке 1, стартовая масса спутника, включающая в себя сухую массу спутника (без массы ЭРДУ), составит: 4050 кг при использовании ЭНД; 2 показана зависимость сухой массы спутника от массы применяемой на нем двигательной установки (стартовая масса - 4050 кг): 2090 кг при использовании ЭНД; Оба преимущества: уменьшение стартовой массы и увеличение массы полезного груза, - приводят к уменьшению стоимости спутника.Основные задачи, выполняемые с помощью РД, на геостационарных спутниках: - переход на более высокую орбиту1500 м/с за маневр; Рассмотрим задачи для ЭРД, характеризующиеся большими приращениями скорости: Переход на более высокую орбиту. Такая тяга может быть получена одним двигателем или связкой. Вывод КЛА на орбиты выше геосинхронных приведет к уменьшению изменения скорости. Учитывая современный уровень развития ионных двигателей, ввод ЭРД в эксплуатацию на коммерческих геостационарных спутниках может проводиться по следующей схеме: 1) Использовать плазменные ионные двигатели с тягой 25 МН для систем стабилизации Север - Юг.Были исследованы ГРК диаметрами от 10 до 35 см. Наиболее изучен РИД 10, позволяющий получить тягу до 25 МН. Конструкция в дальнейшем может быть усовершенствована для серийного производства, т.е. необходимо уменьшить себестоимость производства до цены, удовлетворяющей требованиям рынка.По сравнению с другими двигателями РИДУ обладают следующими преимуществами: 1) Не требуется эмиттер электронов. Для ВЧ ионизации рабочее тело ионизируется в ГРК ВЧ полем с частотой 10 МГЦ. Электроны, рождающиеся в ГРК или поступающие из нейтрализатора, используются для организации столкновений с нейтральными атомами газа. При ускорении ионов в трехсеточной ИОС получаем: постоянную скорость истечения ионов; При прохождении через разрядную камеру эти электроны накапливают энергию от высокочастотного поля (10 МГЦ подается на катушку вне камеры).Однако на практике наиболее часто используется не она, а набор полуэмпирических формул, полученных на основании обработки большого количества экспериментальных данных, а также некоторые уравнения из общей системы, приведенные к более простому виду благодаря введению ниже перечисленных допущений: считается, что скорость рабочего тела, поступающего в камеру РД, равна нулю (wk=0); рабочее тело полагается подчиняющимся законам идеального газа, т.е. для него справедливы уравнения состояния идеального газа; принимают, что в процессе движения рабочего тела вдоль сопла не происходит теплообмена между рабочим телом и стенками сопла, т.е. процесс истечения адиабатный (Q=0); процесс подвода энергии к рабочему телу в камере в высокочастотном разряде считают происходящим в эффективном объеме камеры, составляющем 20% от общего объема камеры. Приведем основные зависимости параметров рабочего тела в камере РД с учетом вышеизложенных допущений.Обобщенно можно представить ТД процессы, протекающие в ЭРД с ВЧ нагревом рабочего тела, следующим образом: Рисунок 3. Запишем уравнение баланса энергии в интегральной форме для промежутка времени в предположении установившегося процесса работы двигателя: ,(2.13) ГДЕQРАС-потери энергии в двигателе, связанные с рассеянием ее в стенки камеры и сопла и др.; Ср0, Сра - изобарные теплоемкости рабочего тела соответственно при температурах рабочего тела на входе в камеру и на выходе из сопла, Дж/(кг*К); Связь параметров рабочего тела на срезе сопла с параметрами в камере определяется следующей зависимостью: или .(2.16)С использованием приведенных выше формул были проведены численные расчеты рабочих характеристик реактивного двигателя для рабочих тел (как водород содержащих Н2, NH3, Н2О, так и водород не содержащих СО2, N2, Не2, Ar). Все расчеты производились для одинаковых термодинамических параметров в камере двигателя, для одних и тех же геоме

Содержание

Введение

1. Сравнительный анализ ЭРДУ

1.1 Применение ЭРД

1.2 Применение РИД

1.3 Общие преимущества РИД

1.4 Радиочастотный ионный движитель РИД-10

1.5 Радиочастотный ионный движитель РИД-26

1.6 Радиочастотный двигатель с магнитным полем (РМД)

2. Разработка численной модели электроракетного двигателя с ВЧ нагревом рабочего тела

2.1 Математический аппарат численной модели термогазодинамических процессов, имеющих место в камере и сопловом аппарате ракетного двигателя

2.2 Термодинамические процессы, протекающие в камере электронагревного движителя

Заключение

Список используемых источников информации

Приложение

Как было показано последними исследованиями, энергетика (энергообеспечение) космических аппаратов с ресурсом 1-20 лет всегда будет первостепенной проблемой. Двигатели малых тяг, которые осуществляют коррекцию и стабилизацию таких космических аппаратов, обладают некоторыми особенностями, например, длительным ресурсом, высокой надежностью, оптимальной «ценой» тяги (отношение энергетических затрат к единице тяги). Для обеспечения долгосрочного ресурса необходимо уменьшить температуру конструктивных элементов плазменных движителей, плазма не должна взаимодействовать с элементами конструкции. В основном скорость истекающей плазмы (характеристическая скорость) определяет удельный импульс движителя. Чем больше значение характеристической скорости, тем больше и удельный импульс. Для осуществления длительных работ (программ) в космосе необходимо иметь надежные, высокоэффективные электроракетные двигатели со скоростями истечения плазмы 103-105 м/с и более.

Мы получили следующие результаты: при скоростях истечения рабочего тела 1000-9000 м/с термоэлектрические движители работают надежно, а в настоящее время создаются движители со скоростями истечения рабочего тела 2000-20000 м/с.

Использование электродуговых плазменных движителей для этих целей продемонстрировало, что в данном диапазоне скоростей негативные явления наблюдаются лишь вследствие эксплуатации движителя больше заданного времени ресурса.

Повышение температуры плазмы в движителях такого типа приводят к повышению удельного импульса. Но почти 50% электрической энергии подводимой к электродам, превращается в тепло и не участвует в повышении скорости плазменного пучка, а электроды испаряются (уменьшаются), что уменьшает ресурс движителя.

В нашем университете многие годы ведется детальная разработка таких движителей. Сравнение современных достижений по типовым движителям приведено в таблице 1.

Одним из современных направлений развития плазменных ускорителей является разработка двигателей малых тяг, работающих на принципе безэлектродного создания электромагнитной силы в форме ВЧ- и СВЧ-полей в плазменном объеме, удержании плазмы и ее ускорении в магнитном поле заданной формы. В этом случае предлагается концепция термоэлектрического движителя с высокочастотным нагревом рабочего тела, такого как водород. Это позволяет существенно уменьшить взаимодействие плазмы на элементы плазменного ускорителя, исключить потери энергии на электродах и использование магнитного сопла значительно повысят КПД движителя.

Таким образом, преимущества этого типа движителей очевидны. Они заключаются в следующем: высокий КПД (0,4 - 0,5);

длительный ресурс работы на борту (до 2-х лет);

высокая надежность и безопасность;

использование экологически чистого топлива;

такие движители обеспечивают характеристическую скорость в требуемом диапазоне скоростей истечения, которую движители других типов не могут обеспечить;

массовые характеристики, «цена» тяги и стоимость сборки не превышают существующих.

Это может стать возможным, если мы будем использовать некоторые достижения современной технологии и учтем некоторые нюансы: Из всех рабочих тел водород обладает минимальной атомной массой, то есть скорость истечения водородной плазмы из ВЧ-ускорителя будет максимальной.

Водород - экологически чистое рабочее вещество и необходимость его использования несомненна.

Сейчас у нас есть технология безопасного хранения связанного водорода в виде гибридов металлов на борту космического летательного аппарата. Это увеличивает КПД движителя и повышает эффективность работы системы в целом.

Известно, что при ионизации водорода в любом типе электрического разряда потери при передачи энергии от электронной компоненты к ионной минимальны изза минимальных массовых различий и потому, что для атомов водорода возможна лишь однократная ионизация.

В таблице 1 приведены основные характеристики ионных двигателей разрабатываемых и применяемых в Европе в настоящее время.

Таблица 1

№ п.п Характеристики движителя

Тип движителя Рабочее тело Характеристическая тяга, г Характеристическая скорость, м/с Цена тяги, Вт/г КПД, % Особенности, ограничивающие ресурс Примечание

1 Стационарный плазменный движитель (СПД) Ксенон (газ) 1…5 18000… 25000 ?150 30…50 Ресурс катода компенсатора и керамических изоляторов

2 Движитель с анодным слоем (ДАС) Газ, жидкий металл 1…3 25000… 35000 ?200 30…45 Ресурс катода компенсатора, ресурс электродов

3 Плазменный ионный движитель (ПИД) Газ, жидкий металл 1…10 и более 30000… 100000 ?300 30…45 Ресурс катода компенсатора и ионно-оптической системы Увеличение тяги приводит к увеличению размеров

4 Торцевой холовский движитель (ТХД) Газ, жидкий металл 1…3 25000… 35000 ?300 25…40 Электроды и катодный узел Увеличение тяги пропорционально уменьшению ресурса

5 Электро-нагревный движитель (ЭНД) Газ 1…5 1000… 4000 50…150 20…30 Нагреватель

6 ВЧ-движитель Газ 1…10 3000… 15000 30…100 40…50 Отсутствуют