Ионно-плазменные двигатели с высокочастотной безэлектродной ионизацией рабочего тела

Министерство образования Украины Государственный аэрокосмический университет имени Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт» Кафедра 402 Выполнил : Юрченко С.А. 1999-03-03 Харьков 1999 г. Содержание лист Введение 1. Сравнительный анализ ЭРДУ 1.1 Применение ЭРД 1.2 Применение РИД 1.3 Общие преимущества РИД 1.4 Радиочастотный ионный движитель РИД-1.5 Радиочастотный ионный движитель РИД-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 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. 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: 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. 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… 10 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 1

Сравнительный анализ ЭРДУ

Сейчас такой же двигатель, но с тягой 15 мН проходит квалификационные ... Для перевода спутника с промежуточной орбиты на гео-орбиту требуется 1... Если для этого маневра использовать ЭРД, то потребуется около трех мес... Среднее приращение скорости на 47 м/с в год приводит к общему &#61... дополнительные разработки приостанавливаются. Использование ЭРД для вы...

Применение РИД

Наиболее изучен РИД 10, позволяющий получить тягу до 25 мН. Для применения этих двигателей в космических целях уровень тяг должен ... Конструкция в дальнейшем может быть усовершенствована для серийного пр... Действующая модель РИД 26 с тягой 200 мН готова к испытаниям. В этом двигателе используется принцип ВЧ ионизации и ИОС, изготовленна...

Общие преимущества РИД

Двигатель включает радиочастотный генератор, блок регулирования мощнос... 2 . 3) Используется трехсеточная ИОС. Для инициации разряда анод находится под большим положительным потенци... 1.4 Радиочастотный ионный движитель РИД-10 Радиочастотный ионный движи...

Разработка численной модели электроракетного двигателя с ВЧ нагревом рабочего тела

для него справедливы уравнения состояния идеального газа; - принимают,... В ходе экспериментов было установлено, что число Маха в сечении, где р... рисунок 17): Рисунок 3. Разделим все члены записанного уравнения на ( ), т.е. (2.19) Связь параметров рабочего тела в критическом сечении сопла с па...

Заключение

Заключение С использованием приведенных выше формул были проведены численные расчеты рабочих характеристик реактивного двигателя для рабочих тел (как водород содержащих Н2, NН3, Н2О, так и водород не содержащих СО2, N2, Не2, Аr). Все расчеты производились для одинаковых термодинамических параметров в камере двигателя, для одних и тех же геометрических размеров камеры и сопла, и баллонов системы хранения и подачи рабочего тела. Полеченные результаты расчета сведены в таблицу 2 и графически представлены на рисунке 4. На рисунке 4 представлены зависимости удельного импульса ракетного двигателя, массы необходимого рабочего тела, массы СХП этого рабочего тела, и суммарной массы СХП, и рабочего тела от рода рабочего тела (проще говоря, от М и к рабочего тела). Из этой зависимости вытекает вывод о преимущественном использовании в качестве рабочих тел веществ с низкой молекулярной массой.

Одним из наиболее доступных и широко распространенных веществ с низкой молекулярной массой является молекулярный водород.

Здесь же представлена зависимость массы потребного рабочего тела и массы необходимой для его хранения СХП баллонного типа от рода рабочего тела. Таблица 2 Параметр Газ Водо- род Гелий Ам- миак Азот Воз- дух Аргон Ксе- нон Хим. формула Н2 Не2 NН3 N2 Ar Xe Молекулярная масса, кг/моль 2 4 17 28 29 40 131 Газовая постоянная, Дж/(кг К) 4157 2078,5 489,06 296,93 286,69 207,85 63,466 Показатель адиабаты 1,4 1,66 1,29 1,4 1,4 1,66 1,66 Удельный импульс, с 5197,4 3191,5 1949 1388,8 1365,9 1010,6 567,06 Масса РТ, кг 9,6203 15,66 25,65 36 36,607 48,05 80,76 Масса СХП, кг 212,64 181,02 89,512 90,623 90,339 101,75 115,86 Масса всей системы, кг 222,26 196,68 115,16 126,62 126,94 149,8 196,62 Из анализа этого графика следует, что по критерию минимальной массы системы хранения и рабочего тела наилучшим рабочим телом является аммиак.

Однако следует принять во внимание тот факт, что в случае применения в качестве СХП водорода такой системы хранения как, например, хранение водорода в металлогидридах или в связанном состоянии, суммарная масса такой СХП рабочего тела водорода может быть снижена и станет ниже массы газобаллонной СХП других рабочих тел. Необходимо учитывать тот факт, что в отличие от аммиака, который является химически активным и, соответственно, требует для своих СХП использования дорогих конструкционных материалов и систем предотвращения утечки, и имеет достаточно низкий удельный импульс, не токсичный и не химически активный водород позволяет упростить структуру СХП. Рисунок 4. Зависимости удельного импульса РД, массы необходимого рабочего тела, массы СХП этого рабочего тела, и суммарной массы СХП и рабочего тела от рода рабочего тела. При использовании водорода в качестве рабочего тела мы можем достичь больших значений скоростей истечения (т.е. большего удельного импульса) и получить более безопасную систему с точки зрения хранения рабочего тела и эксплуатации двигательной установки.

Кроме того при рассмотрении в качестве варианта нагрева рабочего тела в камере РД способа ВЧ нагрева следует учитывать тот факт, что для достижения наибольшего КПД процесса передачи энергии от ВЧ разряда к рабочему телу необходима полная или частичная ионизация, или активация последнего, что в случае аммиака представляет собой достаточно серьезную проблему.

Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов Обозначения Индексы а – скорость звука, м/с; * - равновесный параметр; В – индукция магнитного поля, Тл; а – выходное сечение параметра; F – сила, Н; кр – критическое сечение сопла; Iс – ток катушки, А; к – сечение камеры сгорания Ib – ток ионного пучка, А; реактивного двигателя; k – показатель адиабаты; max – максимальный; m – масса, кг; min – минимальный; - массовый расход, кг/с; opt – оптимальный; N –мощность, Вт; б – бак; n –концентрация частиц, м-1; к – камера; P – давление, Па; 0 – начальный; T – температура, К; U – напряжение, В; W – скорость, м/с;  - плотность, кг/м3; P, R – тяга ракетного двигателя, Н;  - тяговый КПД;  - приращение по времени, с;  - потенциал ионизации, эВ;  - сечение ионизации, см2;  - частота, 1/с; Сокращения АЭД – автоэмиссионный двигатель; ВЧ – высокочастотный; ИПД – импульсный плазменный двигатель; КА – космический аппарат; КПД – коэффициент полезного действия; ПИД – плазменный ионный двигатель; РД – ракетный двигатель; РИД – радиочастотный ионный двигатель; РМД - радиочастотный ионный двигатель с магнитным полем; СПД – стационарный плазменный двигатель; СПУ – стационарный плазменный ускоритель; СХПРТ – система хранения и подачи рабочего тела; ЭДС – электродвижущая сила; ЭРД – электроракетный двигатель; ЭТД – электротермический двигатель.

Список используемых источников информации

Список используемых источников информации 1. Безэлектродный разряд высокого давления.

ЖТФ, №36, т.5, 1966г с.913-919 2. Особенности развития импульсных СВЧ разрядов в различных газах.

ЖТФ, №4, т.68, 1998г, с.33-36 3. Получение атомарного водорода в высокочастотном газовом разряде и масс-спектрометрическая диагностика процесса.

ЖТФ, №5, т.67, 1997г с.140-142 4. K.H. Groh, H.J. Letter.

RIT 15 – a medium range radio-frequency ion thruster.