Ионно-плазменные двигатели с высокочастотной безэлектродной ионизацией рабочего тела

Министерство образования Украины Государственный аэрокосмический университет имени Н.Е. Жуковского Харьковский авиационный институт Кафедра 402 Выполнил Юрченко С.А. 1999-03-03 Харьков 1999 г. Содержание лист Введение31. Сравнительный анализ ЭРДУ61.1 Применение ЭРД71.2 Применение РИД91.3 Общие преимущества РИД91.4 Радиочастотный ионный движитель РИД-10101.5 Радиочастотный ионный движитель РИД-26111.6 Радиочастотный двигатель с магнитным полем РМД112 Разработка численной модели электроракетного двигателя с ВЧ нагревом рабочего тела132.1 Математический аппарат численной модели термогазодинамических процессов, имеющих место в камере и сопловом аппарате ракетного двигателя132.2 Термодинамические процессы, протекающие в камере электронагревного движителя16Заключение20Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов 22Список используемых источников информации23Введение 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 мс и более.

Мы получили следующие результаты при скоростях истечения рабочего тела 1000-9000 мс термоэлектрические движители работают надежно, а в настоящее время создаются движители со скоростями истечения рабочего тела 2000-20000 мс. 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.пХарактеристики движителяТип движителяРабочее телоХарактеристическая тяга, гХарактеристическая скорость, мсЦена тяги, ВтгКПД, Особенности, ограничивающие ресурсПримечание1Стационарный плазменный движитель СПДКсенон газ250001503050Ресурс катода компенсатора и керамических изоляторов2Движитель с анодным слоем ДАСГаз, жидкий металл350002003045Ресурс катода компенсатора, ресурс электродов3Плазменный ионный движитель ПИДГаз, жидкий металл110 и более103003045Ресурс катода компенсатора и ионно-оптической системыУвеличение тяги приводит к увеличению размеров4Торцевой холовский движитель ТХДГаз, жидкий металл1325000 350003002540Электроды и катодный узелУвеличение тяги пропорционально уменьшению ресурса5Электро-нагревный движитель ЭНДГаз151000 4000501502030Нагреватель6ВЧ-движительГаз 1103000 15000301004050Отсутствуют 1

Сравнительный анализ ЭРДУ

2 показана зависимость сухой массы спутника от массы применяемой на не... Планируется его использование в качестве основного движителя. В этом случае тяга должна быть на уровне 400 мН и более. Вывод КЛА на орбиты выше геосинхронных приведет к уменьшению изменения... Это требование обусловливает необходимую тягу 25 мН и более. Учитывая ...

Применение РИД

Применение РИД. Были исследованы ГРК диаметрами от 10 до 35 см. Наиболее изучен РИД 10, позволяющий получить тягу до 25 мН. Конструкция в дальнейшем может быть усовершенствована для серийного пр... Действующая модель РИД 26 с тягой 200 мН готова к испытаниям. В этом д...

Общие преимущества РИД

По сравнению с другими двигателями РИДУ обладают следующими преимущест... 1.4 Радиочастотный ионный движитель РИД-10 Радиочастотный ионный движи... рисунок 1. Потенциал анода уменьшают, а в камере устанавливается самоподдерживающ... 1.5 Радиочастотный ионный движитель РИД-26 Этот двигатель интегрирует ...

Радиочастотный двигатель с магнитным полем РМД

В последние годы был разработан новый подход к радиочастотным ионным д... После установления устойчивого разряда в плазме в месте расположения о... Двигатель развивает тягу на уровне 1 10 мН и удельный импульс Iуд3000 ... Дополнительно для повышения КПД возможно использовать круговые токи. Эта особенность действительно даст возможность двигателю работать с ма...

Разработка численной модели электроракетного двигателя с ВЧ нагревом рабочего тела

для него справедливы уравнения состояния идеального газа - принимают, ... рисунок 17 Рисунок 3. Ср0, Сра изобарные теплоемкости рабочего тела соответственно при темпе... Разделим все члены записанного уравнения на, т.е. Исходя из вышеприведенных формул, имеем.

Заключение

Заключение С использованием приведенных выше формул были проведены численные расчеты рабочих характеристик реактивного двигателя для рабочих тел как водород содержащих Н2, NН3, Н2О, так и водород не содержащих СО2, N2, Не2, Аr. Все расчеты производились для одинаковых термодинамических параметров в камере двигателя, для одних и тех же геометрических размеров камеры и сопла, и баллонов системы хранения и подачи рабочего тела. Полеченные результаты расчета сведены в таблицу 2 и графически представлены на рисунке 4. На рисунке 4 представлены зависимости удельного импульса ракетного двигателя, массы необходимого рабочего тела, массы СХП этого рабочего тела, и суммарной массы СХП, и рабочего тела от рода рабочего тела проще говоря, от М и к рабочего тела. Из этой зависимости вытекает вывод о преимущественном использовании в качестве рабочих тел веществ с низкой молекулярной массой.

Одним из наиболее доступных и широко распространенных веществ с низкой молекулярной массой является молекулярный водород.

Здесь же представлена зависимость массы потребного рабочего тела и массы необходимой для его хранения СХП баллонного типа от рода рабочего тела. Таблица 2 ПараметрГазВодо- родГелийАм- миакАзотВоз- духАргонКсе- нонХим. формулаН2Не2NН3N2ArXeМолекулярная масса, кгмоль2417282940131Газовая постоянная, Джкг К41572078,5489,06296,93286,69207,8563,46 6Показатель адиабаты1,41,661,291,41,41,661,66Удельны й импульс, с5197,43191,519491388,81365,91010,6567,0 6Масса РТ, кг9,620315,6625,653636,60748,0580,76Масс а СХП, кг212,64181,0289,51290,62390,339101,7511 5,86Масса всей системы, кг222,26196,68115,16126,62126,94149,8196 ,62 Из анализа этого графика следует, что по критерию минимальной массы системы хранения и рабочего тела наилучшим рабочим телом является аммиак.

Однако следует принять во внимание тот факт, что в случае применения в качестве СХП водорода такой системы хранения как, например, хранение водорода в металлогидридах или в связанном состоянии, суммарная масса такой СХП рабочего тела водорода может быть снижена и станет ниже массы газобаллонной СХП других рабочих тел. Необходимо учитывать тот факт, что в отличие от аммиака, который является химически активным и, соответственно, требует для своих СХП использования дорогих конструкционных материалов и систем предотвращения утечки, и имеет достаточно низкий удельный импульс, не токсичный и не химически активный водород позволяет упростить структуру СХП. Рисунок 4. Зависимости удельного импульса РД, массы необходимого рабочего тела, массы СХП этого рабочего тела, и суммарной массы СХП и рабочего тела от рода рабочего тела. При использовании водорода в качестве рабочего тела мы можем достичь больших значений скоростей истечения т.е. большего удельного импульса и получить более безопасную систему с точки зрения хранения рабочего тела и эксплуатации двигательной установки.

Кроме того при рассмотрении в качестве варианта нагрева рабочего тела в камере РД способа ВЧ нагрева следует учитывать тот факт, что для достижения наибольшего КПД процесса передачи энергии от ВЧ разряда к рабочему телу необходима полная или частичная ионизация, или активация последнего, что в случае аммиака представляет собой достаточно серьезную проблему. Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов ОбозначенияИндексыа скорость звука, мс - равновесный параметрВ индукция магнитного поля, Тла выходное сечение параметраF сила, Нкр критическое сечение соплаIс ток катушки, Ак сечение камеры сгоранияIb ток ионного пучка, Ареактивного двигателяk показатель адиабатыmax максимальныйm масса, кгmin минимальный - массовый расход, кгсopt оптимальныйN мощность, Втб бакn концентрация частиц, м-1к камераP давление, Па0 начальныйT температура, КU напряжение, ВW скорость, мс - плотность, кгм3P, R тяга ракетного двигателя, Н - тяговый КПД - приращение по времени, с - потенциал ионизации, эВ - сечение ионизации, см2 - частота, 1сСокращения АЭД автоэмиссионный двигатель ВЧ высокочастотный ИПД импульсный плазменный двигатель КА космический аппарат КПД коэффициент полезного действия ПИД плазменный ионный двигатель РД ракетный двигатель РИД радиочастотный ионный двигатель РМД - радиочастотный ионный двигатель с магнитным полем СПД стационарный плазменный двигатель СПУ стационарный плазменный ускоритель СХПРТ система хранения и подачи рабочего тела ЭДС электродвижущая сила ЭРД электроракетный двигатель ЭТД электротермический двигатель.

Список используемых источников информации

Список используемых источников информации 1. Безэлектродный разряд высокого давления.

ЖТФ, 36, т.5, 1966г с.913-919 2. Особенности развития импульсных СВЧ разрядов в различных газах.

ЖТФ, 4, т.68, 1998г, с.33-36 3. Получение атомарного водорода в высокочастотном газовом разряде и масс-спектрометрическая диагностика процесса.

ЖТФ, 5, т.67, 1997г с.140-142 4. K.H. Groh, H.J. Letter.

RIT 15 a medium range radio-frequency ion thruster.