Ионно-плазменные двигатели с высоко-частотной безэлектродной ионизацией рабочего тела (стр. 1 из 4)
Министерство образования Украины
Государственный аэрокосмический университет
имени Н.Е. Жуковского
«Харьковский авиационный институт»
Кафедра 402
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 | |
1 Сравнительный анализ ЭРДУ
Применение ионных плазменных двигателей малой тяги на геостационарных спутниках имеет следующие преимущества: уменьшение стартовой массы, увеличение массы полезного груза и ресурса спутника.
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 спутника 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 запуска.
На рис. 2 показана зависимость сухой массы спутника от массы применяемой 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 спутника.
РИД с диаметром ионизатора 10 см и тягой 10 мН был запущен на EURECA. Сейчас такой же двигатель, но с тягой 15 мН проходит квалификационные испытания для использования его на экспериментальном спутнике 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 исследуется в Гессенском университете.
РИД 26 с тягой до 200 мН разрабатывают в Dasa/ESA Technology. Планируется его использование в качестве основного движителя.
1.1 Применение ЭРД
Основные задачи, выполняемые с помощью РД, на геостационарных спутниках:
- 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 приращениями скорости:
Переход на более высокую орбиту. При использовании химических двигателей 40% стартовой массы спутника составляет топливо. Для перевода спутника с промежуточной орбиты на гео-орбиту требуется 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 связкой.