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

Выполнил :

________ Юрченко С.А.

1999-03-03

Харьков 1999 г.

Содержание

лист

Введение 3
1. Сравнительный анализ ЭРДУ 6
1.1 Применение ЭРД 7
1.2 Применение РИД 9
1.3 Общие преимущества РИД 9
1.4 Радиочастотный ионный движитель РИД-10 10
1.5 Радиочастотный ионный движитель РИД-26 11
1.6 Радиочастотный двигатель с магнитным полем (РМД) 11
2 Разработка численной модели электроракетного двигателя с ВЧ нагревом рабочего тела 13
2.1 Математический аппарат численной модели термогазодинамических процессов, имеющих место в камере и сопловом аппарате ракетного двигателя 13
2.2 Термодинамические процессы, протекающие в камере электронагревного движителя 16
Заключение 20
Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов 22
Список используемых источников информации 23

Введение

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.

Возможно вы искали - Реферат: Звёздные скопления и туманности

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);

Похожий материал - Реферат: Изучение звездного неба с помощью подвижной карты

- 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.

Очень интересно - Реферат: Исследование Венеры и Марса

Это может стать возможным, если мы будем использовать некоторые достижения современной технологии и учтем некоторые нюансы:

1) Из всех рабочих тел водород обладает минимальной атомной массой, то есть скорость истечения водородной плазмы из ВЧ-ускорителя будет максимальной.

2) Водород – экологически чистое рабочее вещество и необходимость его использования несомненна.

3) 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.

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

Вам будет интересно - Реферат: Коммерческая деятельность на международных воздушных линиях

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

³150 30…50 Ресурс катода компенсатора и керамических изоляторов
2 Движитель с анодным слоем (ДАС) Газ, жидкий металл 1…3

25000…

35000

³200 30…45 Ресурс катода компенсатора, ресурс электродов
3 Плазменный ионный движитель (ПИД) Газ, жидкий металл 1…10 и более

30000…

100000

³300 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

³300 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

1 Сравнительный анализ ЭРДУ

Применение ионных плазменных двигателей малой тяги на геостационарных спутниках имеет следующие преимущества: уменьшение стартовой массы, увеличение массы полезного груза и ресурса спутника.

Сравнение ЭНД, СПД и РИД, используемых в системе стабилизации Север – Юг, проведено на рисунке 1 и рисунке 2.

Рисунок 1,2. Стартовая масса спутника и зависимость сухой массы спутника от применяемой на нем двигательной установки.

Похожий материал - Реферат: Облака

Как показано на рисунке 1, стартовая масса спутника, включающая в себя сухую массу спутника (без массы ЭРДУ), составит:

4050 кг при использовании ЭНД;

3900 кг – СПД;

3670 кг – РИД.