Розробка і розрахунок рухової установки на базі стаціонарного плазмового двигуна

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Міністерство освіти і науки України
Харківський національний аерокосмічний університет
ім. М. Є. Жуковського
«ХАІ»
Кафедра енергосилових установок про двигунів ЛА
Розробка і розрахунок рухової установки на базі
стаціонарного плазмового двигуна
пояснювальна записка
до курсової роботи по курсу
«Основи теорії та функціонування плазмових прискорювачів»
Студент гр. xxxxxxxxxxxxxx.
______________ ________________
Консультант
Доцент xxxxxxx
Канд. тех. наук
xxxxxxxxx.
Нормконтроль
Ст. прxxxxx, к. т. н.
xxxxxxxxxx.
Харків 2008р

Введення
Космічні літальні апарати, що використовуються для роботи на різних орбітах навколо Землі і для міжпланетних польотів всередині сонячної системи, в більшості випадків оснащені руховими установками на основі електрореактивних двигунів, які створюють тягу необхідну для зміни положення літального апарата в космічному просторі. Використання такого типу рушіїв доцільно, так як вони забезпечують задану тягу при менших витратах робочого тіла в порівнянні з двигунами іншого типу.
За допомогою електрореактивних рухових установок можна вирішувати такі завдання: корекцію орбіт штучних супутників Землі, забезпечення орієнтації штучних супутників Землі; виведення цих супутників на задану орбіту; переклад космічних апаратів з опорною (навколоземній) орбіти на більш високу, включаючи і завдання виведення космічного літального апарату на геостаціонарну орбіту, забезпечення польоту космічного ЛА до інших планет сонячної системи, комет, астероїдів і т.д.

Список умовних позначень, індексів і скорочень
b k - Ширина прискорювального каналу, м;
C т - ціна тяги, Н / Вт;
D - середній діаметр рушія, м;
D вп, R вп - діаметр і радіус внутрішнього полюсного наконечника, м;
D нп, R нп - діаметр і радіус зовнішнього полюсного наконечника, м;
D у - габаритний розмір рушія, м;
e - одиничний заряд, Кл;
- Струмовий еквівалент масової витрати робочого тіла, А;
I p - розрядний струм, А;
I уд - питомий імпульс, м / с;
l k - Довжина прискорювального каналу, м;
M-маса атома ксенону, кГ;
, - Масова витрата робочого тіла через анодний блок і катод, кГ / с;
N і - кінетична потужність потоку іонів, Вт;
N p - Розрядна потужність, Вт;
N т - тягова потужність, Вт;
P - тяга рушія, Н;
U p - Розрядне напруга, В;
δ до - товщина вихідних кромок розрядної камери, м;
η т - тяговий ККД рушія;
φ i - Потенціал іонізації робочого тіла, еВ;
τ дв - ресурс рушія, с;
ККД - коефіцієнт корисної дії;
РК - розрядна камера;
РТ - робоче тіло;
СПД - стаціонарний плазмовий двигун;
ЕРД - електроракетні двигун

1. РОЗРАХУНОК ОСНОВНИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ
ХАРАКТЕРИСТИК І ОСНОВНИХ РОЗМІРІВ СПД
Розрахунок основних характеристик та основних розмірів СПД проведено відповідно до експериментально-теоретичними методичними розробками, викладеними в [1, 2, 3, 4], в яких наведено деякі проміжні розрахунки і дано більш докладне пояснення використовуваних далі співвідношень.
До числа основних параметрів, за допомогою яких можна описати СПД типової схеми, представленої на рис. 1, відносяться:
а) діаметр зовнішньої поверхні прискорювального каналу D н, визначає типорозмір моделі (М-70, М-100, М-140, М-200, М-290);
б) середній діаметр розрядної камери D;
в) ширина каналу b к;
г) довжина каналу l k;
д) товщина вихідних кромок розрядної камери δ k;
Рис. 1. Розміри конструктивної схеми рушія СПД
l до
D вп
D
D нп
D у
D н

b до
δ до
Підпис: DвпПідпис: DПідпис: DнпПідпис: DуПідпис: DнПідпис: Dв


Для загальної характеристики конструкції рушія використовуються також габаритні розміри D у і l у, внутрішній діаметр зовнішнього полюсного наконечника D нп = D + b k +2 · δ k і діаметр внутрішнього полюсного наконечника D вп = Db k -2 · δ k. В якості основного завдання розрахунку розглядається завдання щодо визначення сукупності значень перерахованих розмірів, а також параметрів магнітної системи (кількість ампер-витків і розміри елементів магнітопроводу), що забезпечують виконання заданих вимог. Перераховані розміри визначаються з використанням величини середнього діаметра рушія, що має забезпечити ідентичність відносного розподілу потенціалу та інших локальних параметрів в РК, і, таким чином, забезпечити виконання умов подібності процесів іонізації і прискорення робочого тіла (РТ) в РК. Як наслідок, це дозволяє очікувати ідентичності інтегральних характеристик моделей різного масштабу в порівнянних умовах роботи. В якості критерію подібності використовується умова [4], де λ і - середня довжина пробігу атома РТ до іонізації, - Масова витрата РТ через канал з площею прохідного перерізу S k. Сталість цього співвідношення при інших рівних умовах обмежує, зокрема, мінімальну величину концентрації (≈ жовтнем 1919 m -3) РТ в РК і, таким чином, дозволяє визначити мінімальне значення масової витрати, необхідного для ефективної іонізації і прискорення РТ у рушія. У разі використання ксенону в якості РТ для досягнення прийнятного тягового ККД умова мінімального масової витрати набуває наступний вигляд
.
Сумарний масова витрата двигуна визначається як
.
Підставляючи дані, розглянутого, як приклад, технічного завдання (ТЗ), отримуємо кг / с. За умови, що сумарний масовий витрата визначається витратами через анодний блок - і через катод - , Вважаючи у першому наближенні, що витрата через анодний блок для розглянутого ТЗ визначаємо як . Виходячи з обмеження на мінімальну величину масової витрати, визначаємо значення середнього діаметра D = 0,06 м.
На основі аналізу накопиченого досвіду з розробки та експлуатації СПД визначено співвідношення основних геометричних розмірів рушія з тим, щоб при різних значеннях масової витрати та потужності досягався режим роботи СПД близький до оптимального: ширина прискорювального каналу b k = 0.25 · D = 0.015м; товщина вихідний кромки розрядної камери = 0.006 м; протяжність прискорювального каналу l k = b k +2 · δ k .= 0.027 м. Для розглянутого ТЗ b k = 0.02 м, , L k = 0.036 м.
Зовнішній діаметр прискорювального каналу визначається як D H = D + b k = 0.075 м. Внутрішній діаметр прискорювального каналу визначається як D B = Db k = 0.06 м. Габаритні розміри рушія визначаються як і .
1.1 Визначення тягової і кінетичної потужностей струменя іонів
Тягову потужність струменя іонів визначаємо за формулою

Підставляючи значення, отримуємо

.
Кінетичну потужність іонного потоку на виході з РК визначаємо за формулою

де в залежності від сорту РТ і розрядного напруги коефіцієнти: характеризує розкид кута вильоту іонів щодо осі СПД; - Розкид іонів по енергії. Більший розкид відповідає меншому напрузі U p. = 0,95 ... 0,97 і = 0,93 ... 0,98 для Хе в діапазоні U p = 200 ... 300 B [1, 3]. Приймаються = 0,95 і = 0,95.
Тоді величина кінетичної потужності струменя іонів
Вт

1.2 Визначення протяжності шару іонізації РТ

Як характерною товщини l з шару, в якому переважно відбувається іонізація РТ, вибираємо таку величину, яка забезпечує ймовірність іонізації РТ не менше 95%. Тоді згідно з [1, 3]
, 1.1
де λ і - середня довжина пробігу атома до іонізації ударом електрона; - Середня, протягом шару іонізації, швидкість руху атомів РТ вздовж РК, обумовлена ​​температурою анода; = - Коефіцієнт швидкості іонізації атома Хе при перетині іонізації σ i і швидкості електронів v e; - Середнє, протягом шару іонізації, твір концентрації електронів на коефіцієнт швидкості іонізації; k = - Постійна Стефана-Больцмана; Т а = 800 ... 1000 К - діапазон температури анода при розрядному напрузі від 150 до 350 В; = 12,1 еВ - потенціал іонізації атома ксенону; e = Кл - одиничний заряд; S k - площа поперечного перерізу прискорювального каналу.
Площа поперечного перерізу прискорювального визначаємо за формулою
.
Підставляючи отримані раніше значення, визначаємо
.
За формулою 1.1 визначаємо протяжність шару іонізації
.
Вважаючи, що 95% РТ іонізується, а потім і прискорюється вже у вигляді іонів різницею потенціалів , Зосередженої протягом шару іонізації до середньої швидкості V іон, визначаємо концентрацію електронів виходячи з умови нерозривності потоку маси в РК:
,
де кг - маса іона ксенону; В - перепад потенціалу в шарі іонізації при потенціалі іонізації ксенону - φ і = 12.1 В.
Підставляючи отримані раніше значення, отримуємо .
Розрахована концентрація електронів відповідає режиму роботи рушія близьким до оптимального.

1.3 Розрахунок розрядного струму і напруги розряду

Розрядне напруга визначаємо з урахуванням т.зв. "Еквівалентної різниці потенціалів" ділянки, на якому переважно відбувається прискорення іонного потоку, прікатодном падіння потенціалу В, а також суми перепадів потенціалу поблизу анода (≈ φ и) і перепаду потенціалу в шарі іонізації
.
Еквівалентна різниця потенціалів, яка визначає прискорення іонів, обчислюється за формулою:
1.2
де k а - коефіцієнт акомодації енергії іонів поверхнею стінки приймається як k а = 1; - Струмовий еквівалент масової витрати; - Коефіцієнт, що враховує частку іонного струму, що випадає на стінки РК на протязі (див. рис. 1.2) шару іонізації і прискорення (СІУ) - l СІУ; N і - кінетична потужність струменя іонів. Коефіцієнт розраховується за емпіричною формулою
1.3
Величина l СІУ може бути визначена на основі аналізу експериментальних даних, отриманих з використанням СПД різних типорозмірів. Результати аналізу вказують на те, що СІУ займає область РК, в якій радіальна складова індукції магнітного поля на середній лінії каналу (Див. рис. 2). Вважаючи, що величина магнітного поля значно спадає протягом l k по експоненційної залежності, величина може бути визначена з достатньою точністю з співвідношення
,
де - Максимальна (поблизу виходу з РК) величина індукції магнітного поля на середній лінії прискорювального каналу (визначається далі), а - Протяжність прискорювального каналу, певна раніше.
δ (τ пр)
δ (τ дв)
φ
l з
l СІУ
l до
B r max
0,6 · B r max
l СІУ


Рис. 2. Локалізація шару іонізації і прискорення в РК рушія φ - Кут повороту профілю РК після підробітки ( ).
---- Профіль РК по закінченню проектувального періоду (τ дв) роботи СПД. Пунктиром позначені лінії рівного потенціалу ускоряющего електричного поля.
Величину визначаємо умовами, необхідними для забезпечення азимутального дрейфу електронів в РК і прямо-пролітного руху іонів - для ларморовской радіусів електрона R Л.Є та йону R Л.І повинні виконуватися співвідношення R Л.Є <<b k і R Л.І>> b k. При цьому експериментальними даними про інтегральні характеристики СПД різних типорозмірів підтверджено, що для режимів близьких до оптимальних виконується співвідношення . Тоді підставляючи певні раніше значення b k і U p, обчислюємо

і протяжність СІУ
.
Підставляючи значення в 1.3, отримуємо .
Токовий еквівалент масової витрати розраховуємо з урахуванням визначеного раніше значення масової витрати за формулою

А.
Підставляючи в 1.2 отримані раніше величини, розраховуємо
В.
Визначаємо розрядне напруга
В.
Визначаємо оцінне значення розрядного струму за формулою

.
Перевіряємо умови і оцінюючи напруженість електричного поля як В / м. При = 24.7 mTl розраховуємо R Л.Є ≈ 1.5 · 10 -3 м <<b k =0.02 м і R Л.І ≈2,2 м>> b k, що підтверджує виконання умов "замагніченій" електронів і прямо-пролітного руху іонів в РК в схрещених електричному і магнітному полях.

1.4 Розрахунок ККД і ресурсу рушія

Розрядну потужність розраховуємо як
.
Для даних ТЗ .
Ціну тяги визначаємо за формулою
.
Підставляючи значення, отримуємо .
Визначаємо тяговий ККД за формулою
.
З урахуванням розрахованих значень .
Далі розраховуємо параметри, що визначають ресурс двигуна. Розраховуємо період підробітки РК двигуна, протягом якого відбувається зниження і стабілізація швидкості ерозії вихідних кромок РК потоком іонів
,
де - Величина струму іонів, що бомбардують стінку РК.

,
де - Об'ємний коефіцієнт розпилення поверхні стінок РК (матеріал - АБН) іонами Хе при розрядному напрузі 460 В [1-3].
.
Товщина кромки розрядної камери, яка розпилюється іонами за свавільне час τ, визначається залежністю
, 1.4
де - Константа (м), яка визначається далі; - Час роботи двигуна.
Товщину кромки розрядної камери , Яка розпилюється іонами за час (Протягом якого відбувається зниження швидкості ерозії з-за повороту профілю еродірующего ділянки РК на кут φ = 15 0 ... 20 0), обчислюємо за формулою
,
де - Довжина еродірующего ділянки (див. рис. 2) відповідає протяжності СІУ в РК рушія; приймається φ = 17 0.
Розраховується величина м.
За формулою 1.4 визначаємо константу м - глибина ерозії за період підробітки РК.
Розраховуємо товщину стінки РК, необхідну для забезпечення необхідного ресурсу роботи рушія за формулою 1.2
м.
Для того щоб рушій міг функціонувати протягом заданого ресурсу часу, величина повинна бути менше, ніж товщина вихідних кромок розрядної камери . Перевірка цього припущення показує, що

Т.ч., вимога щодо забезпечення заданого ресурсу роботи РК СПД виконано.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Курсова
52.3кб. | скачати


Схожі роботи:
Розрахунок стаціонарного теплового поля у двовимірній пластині
Розрахунок асинхронного двигуна
Розрахунок автотракторного двигуна Д-248
Тепловий розрахунок двигуна автомобіля
Розрахунок роторно-поршневого двигуна
Розрахунок автомобільного карбюраторного двигуна
Розрахунок автотракторного двигуна Д 248
Розрахунок авіаційного двигуна турбогвинтового типу
Розрахунок двигуна типу 6ЧН 2634
© Усі права захищені
написати до нас