Курсовая работа : Разработка и расчет двигательной установки на базе стационарного плазменного двигателя 


Полнотекстовый поиск по базе:

Главная >> Курсовая работа >> Промышленность, производство


Разработка и расчет двигательной установки на базе стационарного плазменного двигателя




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;

- токовый эквивалент массового расхода рабочего тела, А;

Ip - разрядный ток, А;

Iуд - удельный импульс, м/с;

lk – длина ускорительного канала, м;

M- масса атома ксенона, кГ;

, - массовый расход рабочего тела через анодный блок и катод, кГ/с;

Nи - кинетическая мощность потока ионов, Вт;

Np - разрядная мощность, Вт;

Nт - тяговая мощность, Вт;

P - тяга движителя, 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 [4], где λи – средняя длина пробега атома РТ до ионизации, - массовый расход РТ через канал с площадью проходного сечения Sk. Постоянство этого соотношения при прочих равных условиях ограничивает, в частности, минимальную величину концентрации (≈1019 m-3) РТ в РК и, т.о., позволяет определить минимальное значение массового расхода, необходимого для эффективной ионизации и ускорения РТ в движителе. В случае использования ксенона в качестве РТ для достижения приемлемого тягового КПД условие минимального массового расхода приобретает следующий вид

.

Суммарный массовый расход двигателя определяется как

.

Подставляя данные, рассматриваемого, в качестве примера, технического задания (ТЗ), получаем кг/с. При условии, что суммарный массовый расход определяется расходами через анодный блок - и через катод - , полагая в первом приближении, что расход через анодный блок для рассматриваемого ТЗ определяем как . Исходя из ограничения на минимальную величину массового расхода, определяем значение среднего диаметра D=0,06 м.

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 =0.006 м; протяжённость ускорительного канала lk=bk+2·δk.= 0.027 м . Для рассматриваемого ТЗ bk=0.02 м, , lk=0.036 м.

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 и .

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: характеризует разброс угла вылета ионов относительно оси СПД; - разброс ионов по энергии. Больший разброс соответствует меньшему напряжению Up. = 0,95…0,97 и = 0,93…0,98 для Хе в диапазоне Up=200…300 B [1, 3]. Принимаем = 0,95 и = 0,95.

Тогда величина кинетической мощности струи ионов

Вт.

1.2 Определение протяжённости слоя ионизации РТ

В 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]

,1.1

где λи – средняя длина пробега атома до ионизации ударом электрона; - средняя, на протяжении слоя ионизации, скорость движения атомов РТ вдоль РК, определяемая температурой анода; =- коэффициент скорости ионизации атома Хе при сечении ионизации σi и скорости электронов ve; - среднее, на протяжении слоя ионизации, произведение концентрации электронов на коэффициент скорости ионизации; k= - постоянная Стефана-Больцмана; Та=800…1000 К – диапазон температуры анода при разрядном напряжении от 150 до 350 В; =12,1 эВ - потенциал ионизации атома ксенона; e= Кл – единичный заряд; Sk - площадь поперечного сечения ускорительного канала.

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 , сосредоточенной на протяжении слоя ионизации до средней скорости Vион, определяем концентрацию электронов исходя из условия неразрывности потока массы в РК:

,

где кг - масса иона ксенона; В - перепад потенциала в слое ионизации при потенциале ионизации ксенона – φи=12.1 В.

Подставляя полученные ранее значения, получаем .

Рассчитанная концентрация электронов соответствует режиму работы движителя близкому к оптимальному.

    1. Расчет разрядного тока и напряжения разряда

Разрядное напряжение определяем с учётом т.н. “эквивалентной разности потенциалов” участка, на котором преимущественно происходит ускорение ионного потока, прикатодного падения потенциала В, а также суммы перепадов потенциала вблизи анода (≈φи) и перепада потенциала в слое ионизации

.

Эквивалентная разность потенциалов, которая определяет ускорение ионов, вычисляется по формуле:

1.2

где kа – коэффициент аккомодации энергии ионов поверхностью стенки принимается как kа=1; - токовый эквивалент массового расхода; - коэффициент, учитывающий долю ионного тока, выпадающего на стенки РК на протяжении (см. рис. 1.2) слоя ионизации и ускорения (СИУ) - lСИУ; Nи - кинетическая мощность струи ионов. Коэффициент рассчитывается по эмпирической формуле

1.3

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 (см. рис. 2). Полагая, что величина магнитного поля значительно спадает на протяжении lk по экспоненциальной зависимости, величина может быть определёна с достаточной точностью из соотношения

,

где - максимальная (вблизи выхода из РК) величина индукции магнитного поля на средней линии ускорительного канала (определяется далее), а - протяжённость ускорительного канала, определённая ранее.



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 определяем условиями, необходимыми для обеспечения азимутального дрейфа электронов в РК и прямо-пролётного движения ионов - для ларморовских радиусов электрона Rл.е и иона Rл.и должны выполняться соотношения Rл.е<<bk и Rл.и >>bk. При этом экспериментальными данными об интегральных характеристиках СПД различных типоразмеров подтверждено, что для режимов близких к оптимальным выполняется соотношение . Тогда подставляя определённые ранее значения bk и Up, вычисляем

и протяжённость СИУ

.

Подставляя значения в 1.3, получаем .

Токовый эквивалент массового расхода рассчитываем с учётом определённого ранее значения массового расхода по формуле

А.

Подставляя в 1.2 полученные ранее величины, рассчитываем

В.

Определяем разрядное напряжение

В.

Определяем оценочное значение разрядного тока по формуле

.

Проверяем условия и оценивая напряжённость электрического поля как В/м. При =24.7 mTl рассчитываем Rл.е≈ 1.5·10-3 м<<bk=0.02 м и Rл.и≈2,2 м>>bk, что подтверждает выполнение условий “замагниченности” электронов и прямо-пролётного движения ионов в РК в скрещенных электрическом и магнитном полях.

    1. Расчет КПД и ресурса движителя

Разрядную 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 - величина тока ионов, бомбардирующих стенку РК.

,

где - объёмный коэффициент распыления поверхности стенок РК (материал - АБН) ионами Хе при разрядном напряжении 460 В [1-3].

.

Толщина кромки разрядной камеры, которая распыляется ионами за произвольное время τ, определяется зависимостью

, 1.4

где - константа (м), определяемая далее; - время работы двигателя.

Толщину кромки разрядной камеры , которая распыляется ионами за время (в течение которого происходит снижение скорости эрозии из-за поворота профиля эродирующего участка РК на угол φ=150…200), вычисляем по формуле

,

где - длина эродирующего участка (см. рис. 2) соответствует протяжённости СИУ в РК движителя; принимается φ=170.

Рассчитывается величина м.

По формуле 1.4 определяем константу м – глубина эрозии за период приработки РК.

Рассчитываем толщину стенки РК, необходимую для обеспечения требуемого ресурса работы движителя по формуле 1.2

м.

Для того чтобы движитель мог функционировать в течение заданного ресурса времени, величина должна быть меньше, чем толщина выходных кромок разрядной камеры . Проверка этого предположения показывает, что

Т.о., требование по обеспечению заданного ресурса работы РК СПД выполнено.

1

Похожие работы:

  • Физика и авиация

    Реферат >> Авиация и космонавтика
    ... современных направлений развития плазменных ускорителей является разработка двигателей малых тяг, работающих на принципе безэлектродного ... массы спутника от применяемой на нем двигательной установки. Как показано на рисунке 1, стартовая масса ...
  • Инновационный менеджмент

    Учебное пособие >> Менеджмент
    ... применение плазменной технологии ... как двигательной силы ... частности, созданы двигатели внутреннего сгорания ... разработки новых наукоемких технологий на базе ... в местах стационарного проживания туристов; ... расчета чистого приведенного эффекта: Основная целевая установка ...
  • Основы организации учета затрат на производство продукции

    Дипломная работа >> Бухгалтерский учет и аудит
    ... 3.1.2 Разработка организационных ... В расчете на плановые ... на технологические, энергетические, двигательные ... роторов; установка глушителей; ... ВДТ на базе плоских дискретных экранов (жидкокристаллические, плазменные) ... − двигатель автомобиля ... веществ стационарными и ...
  • Безопасность жизнедеятельности

    Учебное пособие >> Безопасность жизнедеятельности
    ... на базе мониторинга ... ; – разработка и использование ... снижение двигательной активности ... расчета 4...5 л на человека в смену. На ... ракетные двигатели, ДВС ... сварки и плазменной обработки, ... установкина стационарные и передвижные. Примерами полного стационарного ...
  • Концепции современного естествознания

    Книга >> Биология
    ... двигателя ... на базе ... разработке теории атома. В ее основе 2 постулата: 1. В каждом атоме имеется несколько стационарных ... плазменную ... на основании теоретических расчетов ... на соматическую (отвечает за чувствительность и двигательные ... установке анализаторов на ...
  • ЦНС

    Реферат >> Медицина, здоровье
    ... телевизионные установки, аппаратуру ... в разработке,конструировании ... Расчет производят по формуле : А = ПО х ( 72 - Б ) , где А - альбумин (г), ПО - плазменный ... формируется на базе ... двигатель- ... двигательной активности, напрвленной на ... находятся на стационарном или ...
  • Буран

    Курсовая работа >> История техники
    ... двигателями с их установкой на ... Тихом океане - стационарный спутник связи ... на высоте 90 км с ним прекращается связь из-за плазменных ... и по расчету составляет 16... ... , на базе Ванденберг и на мысе ... разработкой НПО "Энергия" явилась уникальная двигательная установка ...
  • Устройства генерирования и канализации субмиллиметровых волн

    Дипломная работа >> Коммуникации и связь
    ... плазменный волновод и на этой основе разработать плазменные усилители и генераторы. 1.1 Лампы обратной волны (ЛОВ) Разработка ... на базе ... На рис. 5.6 изображена блок-схема измерительной установки ... . Расчет ослабления ... двигателем ... стационарными объектами ... -двигательного ...
  • Тросовые системы в космосе

    Реферат >> Авиация и космонавтика
    ... двигательном ... плазмен­ными контакторами на ... разра­ботка, ... установки пред­полагается передавать по кабелю на ... на базе ... расчеты, при рациональной комбинации таких операций с включе­нием реактивного двигателя или электромагнитного тросового двигателя ... стационарно ...
  • Автоматизация производственных систем

    Учебное пособие >> Информатика, программирование
    ... необходимые для выполнения электромонтажа изделия ... структуры и свойств материала заготовки ... определенные как порождающие системы (или иногда системы более низкого ... помощью функционально-структурного ... также способностью ... Н) Средней ... обеспечения регулирования усилий в исполнительных механизмах и скоростей ...