Реферат: Ионно-плазменные двигатели с высокочастотной безэлектродной ионизацией рабочего тела - текст реферата. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Реферат

Ионно-плазменные двигатели с высокочастотной безэлектродной ионизацией рабочего тела

Банк рефератов / Астрономия, авиация, космонавтика

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Реферат
Язык реферата: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Архив Zip, 116 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникального реферата

Узнайте стоимость написания уникальной работы

6 Министерство образования Украины Государственный аэрокосмический ун и верситет имени Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт» Кафедра 402 РЕФЕРАТ на тему : Ионно-плазменные двигатели с высок о частотной безэлектродной ионизацией рабочего тела Выполнил : ________ Юрченко С.А. 1999-03-03 Харьков 19 9 9 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 дв и гателя с ВЧ нагревом рабочего тела 13 2.1 Математический аппарат численной модели термогазод и намических процессов, имеющих место в камере и сопловом аппарате ракетного двигат е ля 13 2.2 Термодинамические процессы, протекающие в камере электронагревного движ и теля 16 Заключение 20 Перечень условных обозначений, символов, единиц, с о кращений и терм и нов 22 Список используемых источников информации 23 Введение Как было показано последними исследованиями, энергетика (эне р гообеспечение ) 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 наде ж ностью, оптимальной «ценой» тяги (отношение энергетических затрат к единице тяги). Для обеспечения долгосрочного ресурса необходимо уменьшить температуру ко н структивных элементов плазменных движителей, плазма не должна взаимодействовать с элементами конструкции. В основном ск о рость истекающей плазмы (характеристическая скорость) определяет удельный импульс движителя. Чем больше значение характер и стической скорости, тем больше и удельный импульс. Для осуществления длительных работ (программ) в космосе необходимо иметь надежные, в ы сокоэффективные электроракетные двигатели со скоростями истечения плазмы 10 3 -10 5 м/с и более. Мы получили следующие результаты: при скоростях истечения рабочего тела 1000-9000 м/с термоэлектрические движители раб о тают надежно, а в настоящее время создаются движители со скоростями истеч е ния 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 р е сурса. Повышение температуры плазмы в движителях такого типа приводят к повышению удельного импульса. Но почти 50% электр и ческой энергии подводимой к электродам, превращается в тепло и не участвует в повыш е нии 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 т и повым движителям пр и ведено в таблице 1. Одним из современных направлений развития плазменных ускор и телей 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 высокоча с тотным нагревом рабочего тела, т а кого как водород. Это позволяет существенно уменьшить взаимодействие плазмы на элементы плазменного ускорителя, исключить потери энергии на электродах и использование магнитного сопла значительно повысят КПД дв и жителя. Таким образом, преимущества этого типа движителей очевидны. Они заключаю т ся 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 движит е ли 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 ма с сой, то есть скорость истечения водородной плазмы из ВЧ-ускорителя будет максимал ь ной. 2) Водород – экологически чистое рабочее вещество и необходимость его использ о вания несомненна. 3) Сейчас у нас есть технология безопасного хранения связанного водорода в виде гибридов металлов на борту космического л е тательного аппарата. Это увеличивает КПД движителя и повышает эффективность работы системы в ц е лом. 4) Известно, что при ионизации водорода в любом типе электрич е ского разряда потери при передачи энергии от электронной компоненты к ионной минимальны из-за минимальных массовых различий и потому, что для атомов водорода возможна лишь одн о кратная ионизация. В таблице 1 приведены основные характеристики ионных двигателей разрабатываемых и применяемых в Европе в настоящее вр е мя. Таблица 1 № п.п Характеристики движителя Тип движит е ля Рабочее тело Характер и стическая тяга, г Характеристич е ская скорость, м/с Цена тяги, Вт/г КПД, % Особенности, ограничива ю щие ресурс Примеч а ние 1 Стационарный плазменный дв и житель (СПД) Ксенон (газ) 1…5 18000… 25000 150 30…50 Ресурс катода компенсатора и керамических изолят о ров 2 Движитель с ано д ным слоем (ДАС) Газ, жидкий м е талл 1…3 25000… 35000 200 30…45 Ресурс катода компенсатора, ресурс эле к тродов 3 Плазменный ио н ный движитель (ПИД) Газ, жидкий м е талл 1…10 и б о лее 30000… 100000 300 30…45 Ресурс катода компенсатора и ионно-оптической сист е мы Увеличение тяги пр и водит к увеличению разм е ров 4 Торцевой холо в ский движитель (ТХД) Газ, жидкий м е талл 1…3 25000… 35000 300 25…40 Электроды и катодный узел Увеличение тяги пр о порционально уменьшению ресу р са 5 Электро-нагревный движ и тель (ЭНД) Газ 1…5 1000… 4000 50…150 20…30 Нагрев а тель 6 ВЧ-движ и тель Газ 1…10 3000… 15000 30…100 40…50 Отсутс т вуют 1 Сравнительный анализ ЭРДУ Применение ионных плазменных двигателей малой тяги на геостационарных спутниках имеет следующие преимущества: умен ь шение стартовой массы, увеличение массы полезного груза и ресурса спу т ника. 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 спу т ника 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; 3900 кг – СПД; 3670 кг – РИД. Это означает, что стартовая масса спутника при использовании РИД вместо электродугового двигателя или СПД уменьшается на 380 и 230 кг соответственно. Уменьшение массы приводит к снижению стоимости з а пуска. На рис. 2 показана зависимость сухой массы спутника от массы пр и меняемой на нем двигательной установки (стартовая масса – 4050 кг): 2090 кг при использовании ЭНД; 2170 кг – СПД; 2310 кг – РИД. Масса полезного груза может быть увеличена при использовании РИД: на 220 кг по сравнению с ЭНД; на 140 кг – с СПД. Оба преимущества: уменьшение стартовой массы и увеличение массы полезного груза, - приводят к уменьшению стоимости спутн и ка. РИД с диаметром ионизатора 10 см и тягой 10 мН был запущен на EURECA . Сейчас такой же двигатель, но с тягой 15 мН проходит квалиф и кационные испытания для использования его на экспериментальном спу т нике связи ESA Artemis . Его вывод на орбиту планируется в 2000 году японским ракетоносителем Н-2. Коммерческая версия этого двигателя сможет создавать тягу на уровне 25 мН. РИД с диаметром ионизатора 15 см и тягой 50 мН сейчас исследуе т ся в Гессе н ском университете. РИД 26 с тягой до 200 мН разрабатывают в Dasa/ESA Technology . План и руется его использование в качестве основного движителя. 1.1 Применение ЭРД Основные задачи, выполняемые с помощью РД, на геостационарных спу т никах: - переход на более высокую орбиту 1500 м/с за маневр; - системы стабилизации Север – Юг 47 м/с в год; - системы стабилизации Запад – Восток < 5 м/с в год; - ориентирование ЛА < 5 м/с в год; - сход с орбиты 5 м/с. Рассмотрим задачи для ЭРД, характеризующиеся большими прир а щениями ск о рости: Переход на более высокую орбиту . При использовании химических двигателей 40% стартовой массы спутника составляет топливо. Для пер е вода спутника с промежуточной орбиты на гео-орбиту тр е буется 10 дней. Если для этого маневра использовать ЭРД, то потребуется около трех месяцев. В этом случае тяга должна быть на уровне 400 мН и более. Такая тяга может быть получена одним двигателем или свя з кой. Уровень тяг ограничен мощность солнечных батарей (10 – 15 кВт). Вывод КЛА на орбиты выше геосинхронных приведет к уменьш е нию изм е нения скорости. Системы стабилизации Север – Юг . Среднее приращение скор о сти на 47 м/с в год приводит к общему v =750 м/с. Уровень тяги должен обеспечивать выполнение этой задачи, по крайней мере, за 3 часа в день. Это требование обусловливает необход и мую тягу 25 мН и б о лее. 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. Остальные задачи, как и ранее, осущес т влять с помощью химических двиг а телей. 2) Системы спутника используются в том виде, в каком они сущес т вуют сейчас, т.е. дополнительные разработки приостанавливаю т ся. Использование ЭРД для вывода спутников на орбиты потребует дв и гателей с большими тягами, что повлечет за собой необходимость в изм е нении конструкции систем спутника. Несмотря на это, применение ЭРД для этих целей рассматривается как второй шаг в программе ввода в эк с плуатацию двигателей этого типа, который потребует полного изменения систем спутника и дополнительных дораб о ток ионных движителей. Конечная цель программы – выполнение всех космических задач с помощью ЭРД в сочетании с маховиками и карданными механизмами, «все спутники на ЭРД». Это сильно повлияет на конструкцию систем спутников, как и во вт о ром случае. 1.2 Применение РИД Уже многие годы РИД разрабатываются во многих странах . Были исследованы ГРК диаметрами от 10 до 35 см. Наиболее изучен РИД 10, п о зволяющий п о лучить тягу до 25 мН. Для применения этих двигателей в космических целях уровень тяг должен быть поднят до 25 мН. Конструкция в дальнейшем может быть усовершенствована для серийного производства, т.е. необходимо умен ь шить себестоимость производства до цены, удовлетворяющей требованиям рынка. Большие тяги могут быть получены путем увеличения диаметра ГРК, что позв о ляет увеличить диаметр ионного пучка. В нашем университете исследуется РИД 15, который может созд а вать тягу 50 мН. Используя ГРК диаметром 20 см можно получить тягу 80 мН. Действующая модель РИД 26 с тягой 200 мН готова к испытаниям. В этом двигателе используется принцип ВЧ ионизации и ИОС, изготовле н ная из моли б дена. 1.3 Общие преимущества РИД По сравнению с другими двигателями РИДУ обладают следующими пр е имущес т вами: 1) Не требуется эмиттер электронов. Для ВЧ ионизации рабочее тело ионизируется в ГРК ВЧ полем с частотой 10 МГц. Электроны, рожда ю щиеся в ГРК или поступающие из нейтрализатора, используются для орг а низации столкновений с не й тральными атомами газа. 2) Высокая надежность нейтрализатора. Полые катоды хорошо из у чены и продемонстрировали высокую надежность эксплуатации и бол ь шой ресурс. 3) Используется трехсеточная ИОС. При ускорении ионов в трехс е точной ИОС п о лучаем: - постоянную скорость истечения ионов; - точное направление вектора тяги; - малое рассеивание пучка. 4) Простота регулирования тяги. Ток ионного пучка устанавливается регулирован и ем ВЧ мощности двигателя. 5) Ускоряющий электрод изготовлен из углерода, что значительно увеличивает р е сурс. 6) Простая система контроля расхода рабочего тела. 7) Уменьшение массы системы. 1.4 Радиочастотный ионный движитель РИД -10 Радиочастотный ионный движитель исследуется в нашем универс и тете в течение последних 2 лет. Это двигатель РИД-10, который был ра з работан для ра з рядной камеры диаметром 10 см. (рисунок 1). Своим названием двигатель РИД обязан используемому в нем при н ципу ионизации. Нейтральное рабочее тело Xe поступает в разрядную к а меру через изоляторы и анод. Для инициации разряда анод находится под большим положительным потенциалом, чтобы притягивать электроны нейтрализатора. При прохождении через разрядную камеру эти электроны накапливают энергию от высокочастотного поля (1 0 МГц подается на к а тушку вне камеры). Возбужденные таким образом электроны неупруго сталкиваются с нейтральными атомами топлива, ионизируя их. Потенциал анода уменьшают, а в камере устанавливается самоподдерживающийся разряд, использующий электроны, рождающиеся в неупругих столкнов е ниях. Положительные ионы мигрируют к электроду, поддерживающему разряд, на выходе из камеры и ускоряются парой ускоряюще-замедляющих электродов. В РИД 10 используется полый катод-нейтрализатор. Ном и нальная тяга РИД-10 – 15 мН, во время испытательных запусков была п о лучена тяга порядка 0,3 – 18 мН. Максимальная тяга – около 24 мН. Ном и нальный удельный импульс 3150 с ; он составляет примерно I уд =1120 с при P=1 мН и при максимальной тяге – I уд =3324 с. Двигатель включает ради о частотный генератор, блок регулирования мощности, блок топливного контроля. Энергопотребление такой установки 70 Вт, при P=15 мН – 510 Вт. Контроль тяги проводится с помощью контрольных параметров: пе р вичных (входная мощность), вторичных (ра с ход топлива). 1.5 Радиочастотный ионный движитель РИД-26 Этот двигатель интегрирует в себе весь опыт, накопленный в этой области. Радиочастотный безэлектродный разряд и ионно-оптическая си с тема, разработанная для ПИД 10, и нейтрализатор образуют ядро этого двигателя. Потребляя 6 кВт энергии, этот двигатель может развить тягу до 200 мН. 1.6 Радиочастотный двигатель с магнитным полем (РМД) В последние годы был разработан новый подход к радиочастотным ионным двигателям. Он основан на использовании высокочастотного поля и осесимметричного магнитного поля в разрядной камере для ионизации топлива (рисунок 3). В установке магнитные поля располагаются следу ю щим образом: есть две коллинеарных магнитных катушки, одна из них расположена в задней части разрядной камеры, а другая – на наружной стенке камеры. Рабочее тело поступает в камеры через входное отверстие и газораспределитель, затем с помощью катода-нейтрализатора инициир у ется разряд. После установления устойчивого разряда в плазме в месте расположения оптимального значения напряженности магнитного поля возникает стоячая волна. В этом случае ток пучка максимален. Двигатель развивает тягу на уровне 1 – 10 мН и удельный импульс I уд =3000 с. Данные, полученные в результате эксперимента, показывают цену тяги около 35 Вт/мН; таким образом этот двигатель относится к той же категории, что и два других ионных двигателя, концепция которых представлена выше. Контроль тяги возможно производить по той же схеме, что и в РИД, а именно посредством измерения ВЧ мощности и расхода рабочего тела. Дополнительно для повышения КПД возможно использовать круговые т о ки. Эта особенность действительно даст возможность двигателю работать с максимальным КПД даже при очень низких уровнях тяги, что является усовершенствованием по сравнению с предыдущими конце п циями. 2 Разработка численной модели электроракетного двигателя с ВЧ нагревом рабочего тела 2.1 Математический аппарат численной модели термогаз о динамических процессов, имеющих место в камере и с о пловом аппарате ракетного двигат е ля Физическая модель процессов, протекающих в электронагревном р е активном двигателе, описывается общей системой уравнений гидрогазовой динамики. Однако на практике наиболее часто используется не она, а н а бор полуэмпирических формул, полученных на основании обработки большого количества экспериментальных данных, а также некоторые уравнения из общей системы, приведенные к более простому виду благ о даря введению ниже перечисленных допущ е ний: - считается, что скорость рабочего тела, поступающего в камеру РД, равна нулю ( w к =0); - рабочее тело полагается подчиняющимся законам идеального г а за, т.е. для него справедливы уравнения состояния идеального г а за; - принимают, что в процессе движения рабочего тела вдоль сопла не происходит теплообмена между рабочим телом и стенками с о пла, т.е. пр о цесс истечения адиабатный ( Q= 0); - пренебрегают действием внешних сил на поток рабочего тела ( F вн =0); - пренебрегают вязкостью рабочего тела ( н=0); - процесс подвода энергии к рабочему телу в камере в высокоча с тотном разряде считают происходящим в эффективном объеме камеры, составляющем 20% от общего объема кам е ры. Приведем основные зависимости параметров рабочего тела в камере РД с учетом вышеизложенных допущений. Скорость истечения газа из р е активного сопла: (2.1) где k – показатель адиабаты рабочего тела; R м =8314 Дж/(кмоль К), универсальная газовая постоянная; м – молекулярная масса рабочего тела, кмоль; Т к - температура в камере сгорания, К; р а - давление на срезе сопла, Па; р а – давление в камере,Па. Площадь среза сопла определяется выражением: или (2.2) где f кр – удельная площадь критического сечения сопла, м 2 с/кг; f а – удельная площадь среза сопла, м 2 с/кг; - степень расширения рабочего тела в сопле. Удельный импульс двигателя: , (2.3) где р н – давление окружающей среды, Па; - удельная площадь среза сопла, м 2 с/кг. Тяга двигателя определяется по формуле: , (2.4) где - расход рабочего тела через камеру, кг/с; F a – площадь среза сопла, м. Удельная площадь произвольного сечения камеры сгорания и сопла опред е ляется по формуле: , (2.5) где - число Маха в данном сечении сопла; w – скорость течения рабочего тела в данном сечении сопла, м/с; - c корость звука в данном сечении, м/с. Зависимость между степенью расширения рабочего тела в сопле е и числом Маха на срезе сопла выражается следующей фо р мулой: . (2.6) Зависимость между поперечными размерами сопла на срезе f a и ст е пенью расширения газа в сопле е определяется так: , (2.7) Нерасчетный режим работы сопла, когда р а < р н , называется режимом перерасширения и сопровождается проникновением скачков уплотнения внутрь сопла. Начало этого проникновения совпадает с моментом появл е ния скачков уплотнения на срезе сопла, при р а < (0,2 – 0,4)р н . В ходе эксп е риментов было установлено, что число Маха в сечении, где располагается граница скачков уплотнения при их проникновении внутрь сопла, может быть найдено из уравнения: , (2.8) где М х – число Маха в сечении границы скачков уплотнения; о – поправочный коэффициент. После нахождения из этого уравнения числа М х можем опред е лить: - местоположение сечения Х: , (2.9) - удельный импульс двигателя: , (2.10) - скорость потока рабочего тела в сечение Х: , (2.11) - температуру рабочего тела в сечении Х: (2.12) 2.2 Термодинамические процессы, протекающие в камере электронагревного движ и теля Обобщенно можно представить ТД процессы, протекающие в ЭРД с ВЧ нагревом рабочего тела, следующим образом (см. рисунок 17): Рисунок 3. Схема электронагревного ракетного движителя Запишем уравнение баланса энергии в интегральной форме для пр о межутка времени в предположении установившегося процесса работы двигателя: , (2.13) где Q рас – потери энергии в двигателе, связанные с рассеянием ее в сте н ки кам е ры и сопла и др.; С р0 , С ра – изобарные теплоемкости рабочего тела соответственно при температурах рабочего тела на входе в камеру и на выходе из сопла, Дж/(кг*К); Т 0 , Т а - температуры рабочего тела соответственно на входе в камеру и на выходе из сопла, К; w 0 , w а – скорости потока рабочего тела соответственно на входе в камеру и на выходе из сопла, м/с. Разделим все члены записанного уравнения на ( ), т.е. приведем его к удельной форме: , (2.14) Его можно записать иначе: , (2.15) где . Связь параметров рабочего тела на срезе сопла с параметрами в к а мере о п ределяется следующей зависимостью: или . (2.16) С учетом допущения об идеальности рабочего тела: . (2.17) Исходя из предположения адиабатности течения, получим: , (2.18) хотя на самом деле течение является изоэнтропным, в данной формуле, так же как и в последующих, следует вместо k писать n из , причем n из
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
Установлено:
"Чем ближе экзамен, тем громче студенты здроваются с преподователем"
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, реферат по астрономии, авиации, космонавтике "Ионно-плазменные двигатели с высокочастотной безэлектродной ионизацией рабочего тела", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru