Курсовая работа: Разработка и расчет двигательной установки на базе стационарного плазменного двигателя
Название: Разработка и расчет двигательной установки на базе стационарного плазменного двигателя Раздел: Промышленность, производство Тип: курсовая работа | ||
Министерство образования и науки Украины Харьковский национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «ХАИ» Кафедра энергосиловых установок о двигателей ЛА Разработка и расчет двигательной установки на базе стационарного плазменного двигателя пояснительная записка к курсовой работе по курсу «Основы теории и функционирования плазменных ускорителей» Студент гр. xxxxxxxxxxxxxx. ______________ ________________ Консультант Доцент xxxxxxx Канд. тех. наук xxxxxxxxx. Нормконтроль Ст. прxxxxx, к. т. н. xxxxxxxxxx. Харьков 2008г Введение Космические летательные аппараты, используемые для работы на различных орбитах вокруг Земли и для межпланетных полетов внутри солнечной системы, в большинстве случаев оснащены двигательными установками на основе электрореактивных двигателей, которые создают тягу необходимую для изменения положения летательного аппарата в космическом пространстве. Использование такого типа движителей целесообразно, так как они обеспечивают заданную тягу при меньших затратах рабочего тела по сравнению с двигателями другого типа. С помощью электрореактивных двигательных установок можно решать следующие задачи: коррекцию орбит искусственных спутников Земли; обеспечение ориентации искусственных спутников Земли; выведение этих спутников на заданную орбиту; перевод космических аппаратов с опорной (околоземной) орбиты на более высокую, включая и задачи вывода космического летательного аппарата на геостационарную орбиту; обеспечение полета космического ЛА к другим планетам солнечной системы, кометам, астероидам и т.д. Список условных обозначений, индексов и сокращений bk – ширина ускорительного канала, м; Cт - цена тяги, Н/Вт; D - средний диаметр движителя, м; Dвп , Rвп - диаметр и радиус внутреннего полюсного наконечника, м; Dнп , Rнп - диаметр и радиус наружного полюсного наконечника, м; Dу - габаритный размер движителя, м; e – единичный заряд, Кл;
Ip - разрядный ток, А; Iуд - удельный импульс, м/с; lk – длина ускорительного канала, м; M- масса атома ксенона, кГ;
Nи - кинетическая мощность потока ионов, Вт; Np - разрядная мощность, Вт; Nт - тяговая мощность, Вт; P - тягадвижителя, Н; Up - разрядное напряжение, В; δк - толщина выходных кромок разрядной камеры, м; ηт - тяговый КПД движителя; φi - потенциал ионизации рабочего тела, эВ; τдв - ресурс движителя, с; КПД - коэффициент полезного действия; РК – разрядная камера; РТ - рабочее тело; СПД - стационарный плазменный двигатель; ЭРД - электроракетный двигатель 1. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ СПД Расчёт основных характеристик и основных размеров СПД произведён в соответствии с экспериментально-теоретическими методическими разработками, изложенными в [1, 2, 3, 4], в которых приведены некоторые промежуточные расчёты и дано более подробное объяснение используемых далее соотношений. К числу основных параметров, с помощью которых можно описать СПД типовой схемы, представленной на рис. 1, относятся: а) диаметр наружной поверхности ускорительного канала Dн , определяющий типоразмер модели (М-70, М-100, М-140, М-200, М-290); б) средний диаметр разрядной камеры D; в) ширина канала bк ; г) длина канала lk ; д) толщина выходных кромок разрядной камеры δk ;
Для общей характеристики конструкции движителя используются также габаритные размеры Dу
и lу
, внутренний диаметр наружного полюсного наконечника Dнп
=D+bk
+2·δk
и диаметр внутреннего полюсного наконечника Dвп
=D-bk
-2·δk
. В качестве основной задачи расчёта рассматривается задача по определению совокупности значений перечисленных размеров, а также параметров магнитной системы (количество ампер-витков и размеры элементов магнитопровода), которые обеспечивают выполнение заданных требований. Перечисленные размеры определяются с использованием величины среднего диаметра движителя, что должно обеспечить идентичность относительного распределения потенциала и других локальных параметров в РК, и, т.о., обеспечить выполнение условий подобия процессов ионизации и ускорения рабочего тела (РТ) в РК. Как следствие, это позволяет ожидать идентичности интегральных характеристик моделей различного масштаба в сопоставимых условиях работы. В качестве критерия подобия используется условие
Суммарный массовый расход двигателя определяется как
Подставляя данные, рассматриваемого, в качестве примера, технического задания (ТЗ), получаем На основе анализа накопленного опыта по разработке и эксплуатации СПД определены соотношения основных геометрических размеров движителя с тем, чтобы при различных значениях массового расхода и мощности достигался режим работы СПД близкий к оптимальному: ширина ускорительного канала bk
=0.25·D=0.015м; толщина выходной кромки разрядной камеры Наружный диаметр ускорительного канала определяется как DH
=D+bk
=0.075 м. Внутренний диаметр ускорительного канала определяется как DB
=D-bk
=0.06 м. Габаритные размеры движителя определяются как 1.1 Определение тяговой и кинетической мощностей струи ионов Тяговую мощность струи ионов определяем по формуле Подставляя значения, получаем
Кинетическую мощность ионного потока на выходе из РК определяем по формуле где в зависимости от сорта РТ и разрядного напряжения коэффициенты: Тогда величина кинетической мощности струи ионов
1.2 Определение протяжённости слоя ионизации РТВ качестве характерной толщины lс слоя, в котором преимущественно происходит ионизация РТ, выбираем такую величину, которая обеспечивает вероятность ионизации РТ не менее 95%. Тогда согласно [1, 3]
где λи
– средняя длина пробега атома до ионизации ударом электрона; Площадь поперечного сечения ускорительного определяем по формуле
Подставляя полученные ранее значения, определяем
По формуле 1.1 определяем протяжённость слоя ионизации
Полагая, что 95% РТ ионизируется, а затем и ускоряется уже в виде ионов разностью потенциалов
где Подставляя полученные ранее значения, получаем Рассчитанная концентрация электронов соответствует режиму работы движителя близкому к оптимальному. 1.3 Расчет разрядного тока и напряжения разрядаРазрядное напряжение определяем с учётом т.н. “эквивалентной разности потенциалов”
Эквивалентная разность потенциалов, которая определяет ускорение ионов, вычисляется по формуле:
где kа
– коэффициент аккомодации энергии ионов поверхностью стенки принимается как kа
=1;
Величина lСИУ
может быть определена на основе анализа экспериментальных данных, полученных с использованием СПД различных типоразмеров. Результаты анализа указывают на то, что СИУ занимает область РК, в которой радиальная составляющая индукции магнитного поля на средней линии канала
где
Рис. 2. Локализация слоя ионизации и ускорения в РК движителя φ - Угол поворота профиля РК после приработки ( ---- Профиль РК по окончанию проектировочного периода (τдв ) работы СПД. Пунктиром обозначены линии равного потенциала ускоряющего электрического поля. Величину и протяжённость СИУ
Подставляя значения в 1.3, получаем Токовый эквивалент массового расхода рассчитываем с учётом определённого ранее значения массового расхода по формуле
Подставляя в 1.2 полученные ранее величины, рассчитываем
Определяем разрядное напряжение
Определяем оценочное значение разрядного тока по формуле
Проверяем условия 1.4 Расчет КПД и ресурса движителяРазрядную мощность расчитываем как
Для данных ТЗ Цену тяги определяем по формуле
Подставляя значения, получаем Определяем тяговый КПД по формуле
С учётом рассчитанных значений Далее рассчитываем параметры, определяющие ресурс двигателя. Рассчитываем период приработки РК двигателя, в течение которого происходит снижение и стабилизация скорости эрозии выходных кромок РК потоком ионов
где
где
Толщина кромки разрядной камеры, которая распыляется ионами за произвольное время τ, определяется зависимостью
где Толщину кромки разрядной камеры
где Рассчитывается величина По формуле 1.4 определяем константу Рассчитываем толщину стенки РК, необходимую для обеспечения требуемого ресурса работы движителя по формуле 1.2
Для того чтобы движитель мог функционировать в течение заданного ресурса времени, величина Т.о., требование по обеспечению заданного ресурса работы РК СПД выполнено. |