Ионно-плазменные двигатели с высокочастотной безэлектродной ионизацией рабочего тела

Ионно-плазменные двигатели с высокочастотной безэлектродной ионизацией рабочего тела

РЕФЕРАТ

на тему : Ионно-плазменные двигатели с высокочастотной безэлектродной ионизацией рабочего тела

Выполнил :

Юрченко С.А.

1999-03-03

Харьков 1999 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 двигателя с ВЧ нагревом рабочего тела
13
2.1 Математический аппарат численной модели термогазодинамических процессов, имеющих место в камере и сопловом аппарате ракетного двигателя
13
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
³150
30…50
Ресурс катода компенсатора и керамических изоляторов
2
Движитель с анодным слоем (ДАС)
Газ, жидкий металл
1…3
25000…
35000
³200
30…45
Ресурс катода компенсатора, ресурс электродов
3
Плазменный ионный движитель (ПИД)
Газ, жидкий металл
1…10 и более
30000…
100000
³300
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
³300
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