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.x x. Консультант x. Нормоконтроль x. Харків 2006 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ 2 РЕФЕРАТ 4 ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ 5 ВВЕДЕНИЕ 11 Задание 1 Расчет тяги ЭРД и определение его электрической мощности 14 2 Разработка и описание теоретического чертежа размещения ЭРД на спутнике 3 Разработка функциональной схемы двигательного блока. Описание схемы 4 Инженерный расчёт ПИД 4.1 Принцип работы ПИД и схема его расчета 4.2 Выбор рабочего тела для ПИД 4.3 Расчет параметров ионно-оптической системы 22 4.4 Расчет параметров газоразрядной камеры ПИД 4.5 Расчёт магнитного поля в ПИД 5 Разработка и описание теоретического чертежа двигателя 6 Расчёт системы хранения и подачи рабочего тела 6.1 Разработка и описание функциональной схемы системы хранения и подачи рабочего вещества 6.2 Определение основных параметров бака для хранения рабочего вещества 40 6.3 Расчет проектных параметров ресивера 6.4 Расчет проектных параметров термодросселя 6.5 Расчет проектных параметров жиклера 7 Описание функциональной схемы системы электропитания ПИД 8 Разработка и описание теоретического чертежа двигательного блока 9 Разработка циклограммы энергопотребления 51 Выводы 53 Перечень ссылок 54 Приложение 55 РЕФЕРАТ Страниц — 52, таблиц — 2, рисунков — 3. Объектом разработки данного проекта является двигательная установка для стабилизации параметров орбиты космического аппарата, целевым на-правлением которого является наблюдение за поверхностью Земли. Цель работы – спроектировать электрореактивную двигательную уста-новку на базе плазменно-ионного движителя.
В процессе разработки исполь-зовались рекомендованные методики.
Произведен расчет параметров и геометрических размеров плазменно-ионного движителя. Разработаны система хранения и подачи рабочего веще-ства (ксенона), описано функционирование двигательного блока.
В соответ-ствии с расчетами разработаны чертежи двигательного блока.
Космический аппарат, плазменно-ионный движитель, ионно-оптическая система, газоразрядная камера, магнитное поле, электрод, катод, ресивер, бак, потенциал ионизации, ускоряющее напряжение, эффективная площадь движителя, плотность тока, цена иона, тяга движителя, массовый расход рабочего тела, удельный импульс движителя, время работы движите-ля. ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ а – радиус орбиты космического аппарата относительно центра земли, км; B – индукция магнитного поля, - ширина полюсных наконечников, - цена иона, эВ/ион; – коэффициент аэродинамического сопротивления; - расстояние между электродами ионно-оптической системы, мм; - диаметр бака, - диаметр движителя, м; - диаметр проволоки соленоида, - диаметр ресивера, - характерный диаметр космического аппарата, м; - допускаемая напряжённость электрического поля между элек-тродами, В/см; G – геометрический параметр ионно-оптической системы; h – высота орбиты относительно поверхности Земли, км; - ток соленоида, - электронный 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 потерю рабочего тела при хранении; - характерный размер камеры, длина разрядной камеры движителя, - масса конструкции бака, - масса заправленного бака, - масса конструкции ресивера, - необходимый запас 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 заполнения, - секундный массовый расход рабочего тела, кг/с; - поступление массы рабочего вещества в ресивер в единицу време-ни, кг/с; - число катушек соленоида; - мощность, потребляемая двигательной установкой, Вт; - средняя потребляемая мощность нагрузки, 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; - критическое давление, при котором происходит фазовый переход р.т - максимальное давление, которое может быть достигнуто в реси-вере, - тяга электроракетного движителя, Н; - первеанс, - давление внутри ресивера, - давление внутри движителя, - принимаемое давление хранения р.т - универсальная газовая постоянная, Дж·М/К; Rатм - сила сопротивления атмосферы на заданной орбите; - радиус Земли, км; - ларморовский радиус электронов, - ларморовский радиус ионов, - радиус наконечника катода, - расстояние от оси движителя до полюсных наконечников, - больший радиус тора, ресивера, - характерный размер отверстия в электродах, м; - меньший 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, - характерная площадь поперечного сечения космического аппара-та, ; - эффективная площадь сечения движителя, м ; T - период обращения спутника вокруг Земли, с; - критическая температура, при которой происходит фазовый пе-реход р.т - температура максвелловских электронов, К; - температура, до которой бак может разогреться в условиях кос-мического пространства, - максимальная температура, до которой ресивер может разо-греться в УКП, - температура внутри ресивера, - принимаемая температура хранения р.т - время заполнения всего объёма ресивера, с; - время цикла работы ресивера, с; - ускоряющее напряжение между электродами ионно-оптической системы, В; - объём бака, - скорость истечения рабочего тела, ; - скорость космического аппарата на орбите, км/с; - объём ресивера, - характеристическая скорость космического 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; α – выработка рабочего тела из бака;  - коэффициент складирования; - минимальная толщина стенки бака, - минимальная толщина стенки ресивера, - толщина ускоряющего электрода ионно-оптической системы, мм; - толщина экранного электрода ионно-оптической системы, мм; - толщина стенки ресивера, - прозрачность электродов; - коэффициент полезного действия движителя; - плотность композиционного материала, из которого изготовлен бак, – плотность воздуха на заданной орбите, кг/м3; - плотность материала ресивера, - предел текучести, - предел прочности, - время существования космического аппарата, с; - максимальное время нахождения космического аппарата в тени Земли, с; - минимальное время нахождения космического аппарата на све-товом участке, с; - потенциал ионизации рабочего тела, эВ; - первый потенциал возбуждения рабочего тела, эВ; ГРК – газоразрядная камера; ДУ – двигательная установка; ИОС – ионно-оптическая система; ИСЗ – искусственный спутник Земли; КА – космический аппарат; КЛА – космический летательный аппарат; КМ – композиционный материал; КПД – коэффициент полезного действия; ПИД – плазменно-ионный движитель; СХПРТ – система хранения и подачи рабочего тела; УКП – условия космического пространства; ЭРД – электроракетный движитель; ЭРДУ - электроракетная двигательная установка.
ВВЕДЕНИЕ Развитие космических систем различного назначения позволяет в на-стоящее время ставить и решать многие научно-технические, оборонные и народнохозяйственные задачи непосредственно в космосе В настоящие время главное внимание уделяется разработкам ЭРДУ для выполнения следующих задач: • стабилизация спутников: компенсация внешних возмущающих сил, вызываемых микрометеоритами, градиентами гравитационных полей и дав-лением солнечной радиации, компенсация внутренних возмущений, вызы-ваемых движущимися элементами спутника, в том числе различными махо-вичными системами; • орбитальные: коррекция ошибок в запуске, компенсация гравитаци-онных сил, вызванных несферичностью Земли, и давления солнечной радиа-ции. • в интересах народного хозяйства: использование околоземного про-странства для практических задач совершенствования связи, метеорологии, навигации, геодезии, разведки полезных ископаемых, мобилизации дополни-тельных сельскохозяйственных ресурсов.
Электрореактивные двигатели (ЭРД) открыли новое направление в космическом двигателестроении.
ЭРД отличаются от существующих косми-ческих двигателей, работающих на химических топливах, более высокой экономичностью, но одновременно значительно меньшей тяговооружённо-стью, возможностью получения малых единичных импульсов, большим чис-лом включений.
Вместе с тем разделение источников энергии и рабочего ве-щества в ЭРД и использование электромагнитного поля для ускорения рабо-чего вещества позволяет значительно (на один-два порядка) увеличить удельный импульс, а соответственно и экономичность ЭРД по сравнению с химическими реактивными двигателями.
Это предопределяет области при-менимости ЭРДУ для космических летательных аппаратов с большими вре- менами активного функционирования (5-10 лет). Задание Спроектировать электрореактивную двигательную установку на базе плазменно-ионного движителя для ориентации орбиты искусственного спут-ника Земли. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ: Таблица 1 1. Орбита — круговая =525 км 2. Время существования КА =6 лет 3. Характерный диаметр КА =3 м 4. КПД ЭРД, движителя 1
Расчет тяги ЭРД и определение его электрической мощности. Движение космического аппарата зависит от возмущающих сил, кото-рые по... Однако не весь расход, превращаясь в ионы, покидает движитель в виде и... Часть ней-тральных атомов рабочего тела не ионизируется в ГРК и проход... Величиной, характеризующей степень совершенства ис-пользования рабочег...
3 . . Фотоэлектрическая батарея (2) ориентирована и пред-ставляет собой 2 па... Для выполнения данной задачи, недостаточно применения одного движите-л... Разработка и описание теоретического чертежа размещения ЭРД на спутник...
Система электропитания (СЭП); 4. Система хранения и подачи рабочего тела обеспечивает хранение рабо-чег... Описание схемы. Система управления (СУ); 1. 4 .
Инженерный расчёт ПИД 4.1
Принцип работы ПИД и схема его расчета. Степень ионизации за-висит от энергии электронов и их концентрации в р... Столкновения электронов с нейтральными частицами рабочего тела приводи... Ион-ионные столкновения слабо влияют на общее направление движе-ния ио... ионы ускоряются в основном в направлении градиента потен-циала плазмы,...
Металлы предпочтительны из-за своего большого атомного веса, высокой п... Однако, при использование ме-таллических рабочих тел возникает проблем... Не одно рабочее тело не обладает такими свойствами, которые одновремен... Поэтому при выборе рабочего тела следует классификацию требований по и... При выборе рабочего тела необходимо учитывать его удель-ные и энергети...
Расчет параметров ионно-оптической системы. Считаем, что диаметр отверстий в электродах ускоряющей системы ПИД рав... При конструировании электродов ИОС необходимо выполнять сле-дующие тре... 2. 3.
Однако к концу ресурса энергетический КПД, как правило, ухудшается на ... Для определения плотности тока и плотности ионов, а также плотности эл... Используя уравнение, где - плотность ионов (электронов) в ГРК, а - ско... количество электронов в единице объёма, ; Для обеспечения работы ПИД в... Для того чтобы определить этот запас, необходимо знать расход рабочего...
Его силовые линии закрывают аноды, препятствуя быстрому прохождению эл... Рисунок 4.2. Расчётная схема магнитной цепи для радиального поля. магнитный полюс встроен в стенку ГРК). По рекомендациям, предложенным в методическом пособии [2], плотность т...
Из катодного узла (13) в ГРК испускаются электроны. Происходит процесс... н. На срезе движителя имеется катод - компенсатор (2), установленный на с... Задача катода-компенсатора - понижение объем-ного заряда и нейтрализац... Напряжение на элементы ГРК подается по электропроводам.
Система регулирования и распределения предназначена для обеспече-ния з... Расчет системы хранения и подачи рабочего вещества проводим по ме-тоди... Так как в данной работе учитывается резервирование двигателей. 6.2 . то в СХПРТ предусмотрено две системы подачи рабочего тела отдельно для...
Бак рабочего вещества по своему размеру и массе составляет наиболь-шую... имеет следующие конструк-тивные параметры: 1. Сферическая форма бака; 2. Коэффициент складирования 5. Рабочее тело хранится в газообразном состоянии.
При постоянном расходе рабочего тела давление в системе все время меня... (6.10) При m•эд=const получаем: (6.11) Время цикла tцикла определяется... Из технического задания известно общее время работы движительной устан... Малый радиус тора выби-раем равным половине радиуса сферы бака, что по... (6.20) Малый радиус тора принимается: (6.21) Уравнение (2.21) имеет дв...
Отсюда давление на выходе из термодросселя равно. Для достижения необходимого давления на выходе из термо-дросселя задад... Расчет проектных параметров термодросселя. Усредненное давление равно: (6.23) Разность давлений равна: Определим ... Давление на входе в термодроссель равно давлению в ресивере.
Дальнейшее снижение давления в системе подачи происходит в жикле-ре, к... С учетом того, что 90% рабочего вещества поступает в ГРК, а осталь-ные... (6.26) м2 .(6.27) Определим диаметр жиклера: .(6.28) Из технологически... 7 . Расчет проектных параметров жиклера.
Описание функциональной схемы системы электропитания ПИД. На чертеже (ХАИ.06.441п.11.СГ.05) представлена система электропи-тания... На этом рисунке без рас-крытия внутренней структуры каналов электропит... Так все каналы электропитания по входу подключены к общей выход-ной ши... Поскольку нагрузкой КЭП так же являются газоразрядные промежутки систе...
Торообразный ресивер (6) с помощью трубопровода подсоединяется к элект... Заправка бака производится с помощью заправочного устройства (17). К баку (1) с помощью болтового соединения присоединяется корпус (16). Трубопровод, с помощью разделителя разветвляется на четыре канала: эле... 9 .
Таблица 9.1. Определяем среднюю мощность нагрузки по формуле: . В соответствии с расчетами разработаны теоре-тический чертеж ПИД и дви... Тяга ПИД 0,089 Н. 4.
. И. ”Плазменно-ионные двигатели”-методическое пособие, Белан Н.В Гли-бицки... пособие по курсовому и дипломно-му проектированию, Белан Н.В Глибицкий... 4.
Приложение ХАИ.441.06.КР.11.ПЗ.00.00 – пояснительная записка, 52 с. ХАИ.441.06.КР.11.СГ.00.01 – циклограмма энергопотребления, А4. ХАИ.441.06.КР.11.СХ.00.02 – схема размещения ЭРДУ на КА, А3. ХАИ.441.06.КР.11.СГ.00.03 – функциональная схема ЭРДУ, А4. ХАИ.441.06.КР.11.ТЧ.00.04 – теоретический чертеж двигателя, А1. ХАИ.441.06.КР.11.СГ.00.05 – функциональная системы электропитания, А4. ХАИ.441.06.КР.11.СГ.00.06 – функциональная схема СХПРТ, А3. ХАИ.441.06.КР.11.ТЧ.00.07 – теоретический чертеж двигательной установки, А1.