Министерство образования Украины
Государственный аэрокосмический университет
имени Н.Е. Жуковского
«Харьковский авиационный институт»
Кафедра 402
РЕФЕРАТ
на тему : Ионно-плазменные двигатели с высоко-частотной 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 дви-гателя с ВЧ нагревом рабочего тела 13
2.1 Математический аппарат численной модели термогазоди-намических процессов, имеющих место в камере и сопловом аппарате ракетного двигателя 13
2.2 Термодинамические процессы, протекающие в камере элек-тронагревного 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 (энер-гообеспечение) космических аппаратов с ресурсом 1-20 лет всегда будет первостепенной проблемой. Двигатели малых тяг, которые осуществляют коррекцию и стабилизацию таких космических аппаратов, обладают неко-торыми особенностями, например, длительным ресурсом, высокой надеж-ностью, оптимальной «ценой» тяги (отношение энергетических затрат к единице тяги). Для обеспечения долгосрочного ресурса необходимо уменьшить температуру конструктивных элементов плазменных движите-лей, плазма не должна взаимодействовать с элементами конструкции. В основном скорость истекающей плазмы (характеристическая скорость) оп-ределяет удельный импульс движителя. Чем больше значение характери-стической скорости, тем больше и удельный импульс. Для осуществления длительных работ (программ) в космосе необходимо иметь надежные, вы-сокоэффективные электроракетные двигатели со скоростями истечения плазмы 103-105 м/с и более.
Мы получили следующие результаты: при скоростях истечения ра-бочего тела 1000-9000 м/с термоэлектрические движители работают на-дежно, а в настоящее время создаются движители со скоростями истече-ния 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 повыше-нии 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 дви-жителям приведено в таблице 1.
Одним из современных направлений развития плазменных ускори-телей 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 магнит-ном поле заданной формы. В этом случае предлагается концепция термо-электрического движителя с высокочастотным нагревом рабочего тела, та-кого 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 мас-сой, то есть скорость истечения водородной плазмы из ВЧ-ускорителя бу-дет максимальной.
2) Водород – экологически чистое рабочее вещество и необходи-мость 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 электриче-ского 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 Характери-стическая тяга, г Характеристиче-ская скорость, м/с Цена тяги, Вт/г КПД, % Особенности, ограничи-вающие ресурс Примечание
1 Стационарный плазменный дви-житель (СПД) Ксенон
(газ) 1…5 18000…
25000 150 30…50 Ресурс катода компенсатора и керамических изоляторов
2 Движитель с анодным слоем (ДАС) Газ, жидкий металл 1…3 25000…
35000 200 30…45 Ресурс катода компенсатора, ресурс электродов
3 Плазменный ион-ный движитель (ПИД) Газ, жидкий металл 1…10 и более 30000…
100000 300 30…45 Ресурс катода компенсатора и ионно-оптической систе-мы Увеличение тяги при-водит к увеличению размеров
4 Торцевой холов-ский движитель (ТХД) Газ, жидкий металл 1…3 25000…
35000 300 25…40 Электроды и катодный узел Увеличение тяги про-порционально уменьшению ресурса
5 Электро-нагревный движи-тель (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 геоста-ционарных спутниках имеет следующие преимущества: уменьшение стар-товой 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 спут-ника 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 за-пуска.
На рис. 2 показана зависимость сухой массы спутника от массы при-меняемой 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 мас-сы 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 квалифи-кационные испытания для использования его на экспериментальном спут-нике 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 исследует-ся 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 спут-никах:
- переход на более высокую орбиту 1500 м/с за маневр;
- системы стабилизации Север – Юг 47 м/с в год;
- системы стабилизации Запад – Восток