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 |13 |
|нагревом рабочего тела | |
|2.1 Математический аппарат численной модели |13 |
|термогазодинамических процессов, имеющих место в камере и | |
|сопловом аппарате ракетного двигателя | |
|2.2 Термодинамические процессы, протекающие в камере |16 |
|электронагревного движителя | |
|Заключение |20 |
|Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и |22 |
|терминов | |
|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
|№ |Характеристики движителя |
|п.п | |
| |Тип движителя|Рабоче|Характер|Характеристи|Цена |КПД, %|Особенности, |Примечание |
| | |е тело|истическ|ческая |тяги, | |ограничивающие | |
| | | |ая тяга,|скорость, |Вт/г | |ресурс | |
| | | |г |м/с | | | | |
|1 |Стационарный |Ксенон|1…5 |18000… |(150 |30…50 |Ресурс катода | |
| |плазменный | | |25000 | | |компенсатора и | |
| |движитель |(газ) | | | | |керамических | |
| |(СПД) | | | | | |изоляторов | |
|2 |Движитель с |Газ, |1…3 |25000… |(200 |30…45 |Ресурс катода | |
| |анодным слоем|жидкий| |35000 | | |компенсатора, ресурс| |
| |(ДАС) |металл| | | | |электродов | |
|3 |Плазменный |Газ, |1…10 и |30000… |(300 |30…45 |Ресурс катода |Увеличение тяги|
| |ионный |жидкий|более |100000 | | |компенсатора и |приводит к |
| |движитель |металл| | | | |ионно-оптической |увеличению |
| |(ПИД) | | | | | |системы |размеров |
|4 |Торцевой |Газ, |1…3 |25000… |(300 |25…40 |Электроды и катодный|Увеличение тяги|
| |холовский |жидкий| |35000 | | |узел |пропорционально|
| |движитель |металл| | | | | |уменьшению |
| |(ТХД) | | | | | | |ресурса |
|5 |Электро-нагре|Газ |1…5 |1000… |50…150 |20…30 |Нагреватель | |
| |вный | | |4000 | | | | |
| |движитель | | | | | | | |
| |(ЭНД) | | | | | | | |
|6 |ВЧ-движитель |Газ |1…10 |3000… |30…100 |40…50 |Отсутствуют | |
| | | | |15000 | | | | |

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.

[pic]
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 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