Ионно-плазменные двигуни з високочастотної безэлектродной іонізацією робочого тіла — билеты

1. Порівняльний аналіз ЭРДУ.

1.1 Застосування ЭРД.

1.2 Застосування РИД.

1.3 Загальні переваги РИД.

1.4 Радіочастотний іонний рушій РИД-10.

1.5 Радіочастотний іонний рушій РИД-26.

1.6 Радіочастотний двигун з магнітним полем (РМД).

2 Розробка чисельної моделі электроракетного двигуна з ВЧ нагріванням робочого тела.

2.1 Математичний апарат чисельної моделі термогазодинамических процесів, що мають місце в камері, і сопловом апараті ракетного двигателя.

2.2 Термодинамические процеси, які у камері электронагревного движителя.

Заключение

.

Перелік умовних позначень, символів, одиниць, скорочень і термінів.

Список використовуваних джерел информации.

Як засвідчили останніми дослідженнями, енергетика (энергообеспечение)космических апаратів з ресурсом 1−20 років завжди буде першорядною проблемою. Двигуни малих тяг, які проводять корекцію і стабілізацію таких космічних апаратів, мають деякими особливостями, наприклад, тривалим ресурсом, високої надійністю, оптимальної «ціною» тяги (ставлення енергетичних витрат до одиниці тяги). Задля більшої довгострокового ресурсу необхідно зменшити температуру конструктивних елементів плазмових рушіїв, плазма має взаємодіяти із елементами конструкції. Здебільшого швидкість стікала плазми (характеристичне швидкість) визначає удельныйимпульс рушія. Чим більший значення характеристичною швидкості, тим більше й удельныйимпульс. Для тривалих робіт (програм) у космосі необхідно мати надійні, високоефективні електроракетні двигуни зі швидкостями закінчення плазми 103−105 м/с і более.

Нас такі результати: при швидкостях закінчення робочого тіла 1000−9000 м/с термоелектричні рушії працюють надежно, а нині створюються рушії зі швидкостями закінчення робочого тіла 2000;20 000 м/с.

Використання электродуговыхплазменных рушіїв цих цілей продемонструвало, що в діапазоні швидкостей запобігати негативним явищам маємо лише внаслідок експлуатації рушія більше заданого часу ресурса.

Підвищення температури плазми в движителях подібного типу призводять до зростання питомої імпульсу. Але знадобилися майже 50% електричної енергії подводимой до електродах, перетворюється на тепла і не бере участь у підвищенні швидкості плазмового пучка, а електроди випаровуються (зменшуються), що зменшує ресурс движителя.

У університеті багато років ведеться детальна розробка таких рушіїв. Порівняння сучасних досягнень по типовим движителямприведено в таблиці 1.

Однією з сучасних напрямів розвитку плазмових прискорювачів є розробка двигунів малих тяг, працівників принципі безэлектродного створення електромагнітної сили у формі ВЧі СВЧ-полей в плазмовій обсязі, утриманні плазми і його прискоренні у магнітному полі заданої форми. І тут пропонується концепція термоелектричного рушія з высокочастотным нагріванням робочого тіла, такого як водень. Це позволяетсущественно зменшити взаємодія плазми на елементи плазмового прискорювача, виключити втрати енергії на електродах і магнітного сопла значно підвищать ККД рушія. Отже, переваги цього рушіїв очевидні. Вони полягають у следующем:

— високий ККД (0,4 — 0,5);

— тривалий ресурс роботи з борту (до 2-х лет);

— висока надійність і безопасность;

— використання екологічно чистого топлива;

— такі рушії забезпечують характеристическую швидкість необхідному діапазоні швидкостей закінчення, яку рушії інших типів що неспроможні обеспечить;

— масові характеристики, «ціна» тяги і вартість складання становить существующих.

Це може бути можливим, якщо ми будемо використовувати деякі досягнення сучасної технологій і врахуємо деякі нюансы:

1) З усіх робочих тіл водень має мінімальної атомної масою, тобто швидкість закінчення водневої плазми з ВЧ-ускорителя буде максимальной.

2) Водень — екологічно чисте робоче речовина і його використання несомненна.

3) Зараз ми є технологія безпечного зберігання пов’язаного водню як гібридів металів на борту космічного літального апарату. Це збільшує КПДдвижителя і підвищує ефективності роботи системи в целом.

4) Відомо, що з іонізації водню у кожному типі електричного розряду втрати при передачі енергії від електронної компоненти до іонній мінімальні через мінімальних масових розбіжностей бо атомів водню можлива лише однократна ионизация.

У таблиці 1 наведено основні характеристики іонних двигунів розроблюваних і застосовуваних Європі у справжнє время.

Таблиця 1.

№ п.п.

Характеристики движителя.

Тип движителя.

Робоча тело.

Характеристичне потяг, г.

Характеристичний швидкість, м/с.

Ціна тяги, Вт/г.

ККД, %.

Особливості, обмежують ресурс.

Примечание.

Стаціонарний плазмовий рушій (СПД).

Ксенон.

(газ).

1…5.

18 000…

?150.

30…50.

Ресурс катода компенсатора і керамічних изоляторов.

Рушій з анодним шаром (ДАС).

Газ, рідкий металл.

1…3.

25 000…

?200.

30…45.

Ресурс катода компенсатора, ресурс электродов.

Плазмовий іонний рушій (ПИД).

Газ, рідкий металл.

1…10 і более.

30 000…

?300.

30…45.

Ресурс катода компенсатора і ионно-оптической системы.

Збільшення тяги призводить до збільшення размеров.

Торцевій холовский рушій (ТХД).

Газ, рідкий металл.

1…3.

25 000…

?300.

25…40.

Електроди і катодний узел.

Збільшення тяги пропорційно зменшенню ресурса.

Электро-нагревный рушій (ЭНД).

Газ.

1…5.

1000…

50…150.

20…30.

Нагреватель.

ВЧ-движитель.

Газ.

1…10.

3000…

30…100.

40…50.

Отсутствуют.

1 Порівняльний аналіз ЭРДУ.

Застосування іонних плазмових двигунів малої тяги на геостаціонарних супутниках має такі переваги: зменшення стартовою маси, збільшення маси корисного вантажу і ресурсу спутника.

Порівняння ЕНД, СПД і РІД, які у системі стабілізації Північ — Південь, проведено малюнку 1 і малюнку 2.

Малюнок 1,2. Стартова маса супутника і залежність сухий маси супутника відрізняється від застосовуваної у ньому рухової установки.

Як зазначено малюнку 1, стартова маса супутника, куди входять у собі суху масу супутника (без маси ЭРДУ), составит:

4050 кг під час використання ЭНД;

3900 кг — СПД;

3670 кг — РИД.

Це означає, що стартова маса супутника під час використання РІД замість электродугового двигуна чи СПД зменшується на 380 і 230 кг відповідно. Зменшення маси призводить до зниження вартості запуска.

На рис. 2 показано залежність сухий маси супутника від безлічі застосовуваної у ньому рухової установки (стартова маса — 4050 кг):

2090 кг під час використання ЭНД;

2170 кг — СПД;

2310 кг — РИД.

Маса корисного вантажу може бути збільшена під час використання РИД:

на 220 кг проти ЭНД;

на 140 кг — з СПД.

Обидва переваги: зменшення стартовою є і збільшення маси корисного вантажу, — призводять до зменшення вартості спутника.

РІД з діаметром ионизатора 10 див і тягою 10 мН запущено на EURECA. Зараз я такої ж двигун, але із тягою 15 мН проходить кваліфікаційні випробування від використання його за експериментальному супутнику зв’язку ESA Artemis. Його висновок на орбіту планується на 2000 року японським ракетоносієм Н-2. Комерційна версія цього двигуна зможе створювати тягу лише на рівні 25 мН.

РІД з діаметром ионизатора 15 див і тягою 50 мН зараз досліджується в Гессенському университете.

РІД 26 із тягою до 200 мН разрабатываютв Dasa/ESA Technology. Планується його використання кронштейна як основного движителя.

1.1 Застосування ЭРД.

Основні завдання, що їх з допомогою РД, на геостаціонарних спутниках:

— перехід більш високу орбиту1500 м/с за маневр;

— системи стабілізації Північ — Юг47 м/с в год;

— системи стабілізації Захід — Восток.

— орієнтування ЛА.

— сход з орбиты5 м/с.

Розглянемо завдання для ЕРД, які характеризуються великими приращениями скорости:

Перехід більш високу орбіту. При використанні хімічних двигунів 40% стартовою маси супутника становить паливо. Для перекладу супутника з промежуточнойорбиты на гео-орбиту потрібно 10 дней.

Якщо цього маневру використовувати ЕРД, знадобиться близько трьох місяців і. І тут потяг мусить бути лише на рівні 400 мН і більше. Така потяг може бути отримана одним двигуном чи связкой.

Рівень тяг обмежений потужність сонячних батарей (10 — 15 кВт).

Висновок КЛА на орбіти вище геосинхронных призведе до зменшення зміни швидкості.

Системи стабілізації Північ — Південь. Середнє прирощення швидкості на 47 м/с на рік призводить до загальному? v=750 м/с.

Рівень тяги має забезпечити виконання це завдання, по крайнього заходу, за 3 години на день. Це вимога обумовлює необхідну тягу 25 мН і более.

З огляду на сучасний рівень розвитку іонних двигунів, введення ЕРД в експлуатацію комерційні геостаціонарних супутниках можна проводити за такою схеме:

1) Використовувати плазмові іонні двигуни із тягою 25 мН для систем стабілізації Північ — Південь. Інші завдання, як й раніше, здійснювати з допомогою хімічних двигунів.

2) Системи супутника використовують у у тому вигляді, у якому вони маємо тепер, тобто. додаткові розробки приостанавливаются.

Використання ЕРД висновку супутників на орбіти зажадає двигунів з більшими на тягами, що воно потягне у себе потреба у зміні конструкції систем супутника. Попри це, застосування ЕРД цих цілей сприймається як другий крок у програмі входження у експлуатацію двигунів цього, що потребуватиме повного зміни систем супутника і додаткових доробок іонних движителей.

Кінцевою метою програми — виконання всіх космічних завдань із допомогою ЕРД разом із маховиками і карданными механізмами, «все супутники на ЕРД». Це дуже повлияетна конструкцію систем супутників, як і друге случае.

1.2 Застосування РИД.

Вже багато років РІД розробляються у багатьох країнах. Були досліджені ГРК діаметрами від 10 до 35 див. Найбільш вивчений РІД 10, дозволяє отримати тягу до 25 мН.

Для застосування цих двигунів в космічних цілях рівень тяг слід підняти до 25 мН. Конструкція потім можуть бути вдосконалена для виробництва, тобто. необхідно зменшити собівартість виробництва до ціни, задовольняє вимогам рынка.

Великі тяги можна отримати шляхом збільшення діаметра ГРК, що дозволяє діаметр іонного пучка.

У університеті досліджується РІД 15, котрі можуть створювати тягу 50 мН.

Використовуючи ГРК діаметром 20 див можна було одержати тягу 80 мН.

Чинна модель РІД 26 із тягою 200 мН готова випробувань. У цьому вся двигуні використовується принцип ВЧ іонізації і ИОС, виготовлена з молибдена.

1.3 Загальні переваги РИД.

У порівняні з іншими двигунами РІДУ мають такими преимуществами:

1) Не потрібно эмиттер електронів. Для ВЧ іонізації робоче тіло іонізується в ГРК ВЧ полем із частотою 10 МГц. Електрони, рождающиеся в ГРК чи які з нейтралізатора, йдуть на організації сутичок з нейтральними атомами газу.

2) Висока надійність нейтралізатора. Порожнисті катоди добре вивчені і показали високій надійності експлуатації і великий ресурс.

3) Використовується трехсеточная ИОС. При прискоренні іонів в трехсеточной ИОС получаем:

— постійну швидкість истеченияионов;

— точне напрям вектора тяги;

— мале розсіювання пучка.

4) Простота регулювання тяги. Струм іонного пучка встановлюється регулюванням ВЧ потужності двигателя.

5) Що Прискорює електрод виготовлений із вуглецю, значно збільшує ресурс.

6) Проста контроль витрати робочого тела.

7) Зменшення маси системи.

1.4 Радіочастотний іонний рушій РИД-10.

Радіочастотний іонний рушій досліджується у нашій університеті у протягом останніх 2 років. Це двигун РИД-10, який розробили для розрядної камери діаметром 10 див. (малюнок 1).

Своїм назвою двигун РІД зобов’язаний використовуваному у ньому принципу іонізації. Нейтральний робоче тіло Xe вступає у розрядну камеру через ізолятори і анод. Для ініціації розряду анод перебуває під великим позитивним потенціалом, щоб притягати електрони нейтралізатора. Під час проходження через розрядну камеру ці електрони накопичують енергію від високочастотного поля (10 МГц подається на котушку поза камери). Порушені в такий спосіб електрони неупруго зіштовхуються з нейтральними атомами палива, ионизируя їх. Потенціал анода зменшують, а камері встановлюється самоподдерживающийся розряд, використовує електрони, рождающиеся в неупругих зіткненнях. Позитивні іони мігрують до электроду, що підтримує розряд, виході з камери, й пришвидшуються парою ускоряюще-замедляющих електродів. У РІД 10 використовується порожній катод-нейтрализатор. Номінальна потяг РИД-10 -15 мН, під час випробувальних запусків отримали потяг порядку 0,3 — 18 мН. Максимальна потяг — близько 24 мН. Номінальний питомий імпульс 3150 з; вона становить приблизно Iуд=1120 з при P=1 мН і за максимальної тязі - Iуд=3324 з. Двигун включає радіочастотний генератор, блок регулювати потужність, блок паливного контролю. Енергоспоживання такий установки 70 Вт, при P=15 мН — 510 Вт. Контроль тяги здійснюється з допомогою контрольних параметрів: первинних (вхідні потужність), вторинних (витрата топлива).

1.5 Радіочастотний іонний рушій РИД-26.

Цей двигун інтегрує у собі весь досвід, накопичений у цій галузі. Радіочастотний безэлектродный розряд і ионно-оптическая система, розроблена для ПІД 10, і нейтралізатор утворюють ядро цього двигуна. Споживаючи 6 кВт енергії, цей двигун може розвинути тягу до 200 мН.

1.6 Радіочастотний двигун з магнітним полем (РМД).

Останніми роками розробили новий підхід до радіочастотним іонним двигунам. Він грунтується на використанні високочастотного поля і осесимметричного магнітного поля була в розрядної камері для іонізації палива (малюнок 3). У установці магнітні поля розташовуються так: є дві коллинеарных магнітних котушки, одне з нихрасположена в задньої частини розрядної камери, іншу — на зовнішньої стінці камери. Робоча тіло вступає у камери через вхідний отвір і газораспределитель, потім за допомогою катода-нейтрализатора ініціюється розряд. Після встановлення стійкого розряду в плазмі на місці розташування оптимального значення напруженості магнітного поля виникає стояча хвиля. І тут струм пучка максимальний. Двигун розвиває тягу лише на рівні 1 -10 мН і питома імпульс Iуд=3000 з. Дані, отримані внаслідок експерименту, показують ціну тяги близько 35 Вт/мН; в такий спосіб цей двигун належить до тієї ж самої категорії, як і дві інші іонних двигуна, концепція яких представлена вище. Контроль тяги можливо виробляти за тією ж схемою, що у РІД, саме у вигляді виміру ВЧ потужності і витрати робочого тіла. Додатково підвищення ККД можливо використовувати кругові струми. Ця особливість справді можна буде двигуну працювати з максимальним ККД навіть за низьких рівнях тяги, що удосконаленням проти попередніми концепциями.

2 Розробка чисельної моделі электроракетного двигуна з ВЧ нагріванням робочого тела.

2.1 Математичний апарат чисельної моделі термогазодинамических процесів, що мають місце в камері, і сопловом апараті ракетного двигателя.

Фізична модель процесів, які протікають в электронагревном реактивному двигуні, описується загальної системою рівнянь гидрогазовой динаміки. Проте за практиці найчастіше використовується не вона, а набір полуэмпирических формул, отриманих виходячи з обробки великої кількості експериментальних даних, і навіть деякі рівняння із загальної системи, наведені до більш простому виду завдяки запровадженню нижче перелічених допущений:

— вважається, що швидкість робочого тіла, що надходить камеру РД, дорівнює нулю (wк=0);

— робоче тіло потрібно було підпорядковувалося законам ідеального газу, тобто. йому справедливі рівняння стану ідеального газа;

— приймають, у процесі руху робочого тіла вздовж сопла немає теплообміну між робочим тілом, і стінками сопла, тобто. процес закінчення адиабатный (Q=0);

— нехтують дією зовнішніх сил на потік робочого тіла (Fвн=0);

— нехтують в’язкістю робочого тіла (?=0);

— процес підвода енергії до робочого тілу в камері в високочастотному розряді вважають які у ефективному обсязі камери, котрий становить 20% від загального обсягу камеры.

Наведемо основні залежності параметрів робочого тіла в камері РД з урахуванням вищевикладених допущень. Швидкість закінчення газу з реактивного сопла:

(2.1).

гдеk — показник адиабаты робочого тела;

R?=8314 Дж/(кмоль До), універсальна газова постоянная;

? — молекулярна маса робочого тіла, кмоль;

Тк — температура в камері згоряння, К;

ра — тиск на зрізі сопла, Па;

ра — тиск у камере, Па.

Площа зрізу сопла визначається выражением:

или.

(2.2).

гдеfкр — питома площа критичного перерізу сопла, м2с/кг;

fа — питома площа зрізу сопла, м2с/кг;

— ступінь розширення робочого тіла в сопле.

Питома імпульс двигателя:

(2.3).

гдерн — тиск довкілля, Па;

— питома площа зрізу сопла, м2с/кг.

Потяг двигуна визначається по формуле:

(2.4).

девитрата робочого тіла через камеру, кг/с;

Fa -площа зрізу сопла, м.

Питома площа довільного перерізу камери згоряння і сопла визначається по формуле:

(2.5).

дечисло Маху у цьому сечении сопла;

w — швидкість течії робочого тіла у цьому сечении сопла, м/с;

— cкорость звуку у цьому сечении, м/с.

Залежність між ступенем розширення робочого тіла в соплі? і кількістю Маху на зрізі соплавыражается наступній формулой:

.(2.6).

Залежність між поперечними розмірами сопла на зрізі faи ступенем розширення газу соплі? визначається так:

(2.7).

Нерасчетный режим роботи сопла, коли ра.