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