Вычисляем потребную электрическую мощность ЭРД:

(1.4)

По полученному значению удельного импульса определяем тип ЭРД. Принимаем в качестве электрореактивного движителя ПИД.

Для обеспечения работы ПИД в течение необходимого времени ЭРДУ должна включать в себя запас рабочего тела. Для того чтобы определить этот запас, необходимо знать расход рабочего тела через движитель. Частично ответ на этот вопрос может дать величина ионного тока. Однако не весь расход, превращаясь в ионы, покидает движитель в виде ионной струи. Часть нейтральных атомов рабочего тела не ионизируется в ГРК и проходит через электроды ИОС. Величиной, характеризующей степень совершенства использования рабочего тела, является h_м , или коэффициент использования рабочего тела. Реально достигнутый диапазон h_м лежит в пределах 0,8¸0,9. Выбрав оптимальную величину h_м , определим реальный секундный расход рабочего тела. Для этого сделаем пересчет скорости истечения рабочего вещества из ПИДа:

м/с (1.5)

(1.6)

m^• _эд - реальный секундный расход рабочего тела.

Зная ресурс работы ЭРДУ, найдем общий запас рабочего тела:

(1.6)

где k_рт - коэффициент, учитывающий потерю рабочего тела при хранении (k_рт ~1,01÷1,05), принимаем равным 1,03.

Расчеты проведены по методическому пособию [1].

2 Разработка и описание теоретического чертежа размещения ЭРД на спутнике

На чертеже (ХАИ.06.441п.11.ТЧ.02.) приведен спроектированный космический аппарат (1). Фотоэлектрическая батарея (2) ориентирована и представляет собой 2 панели, в любом положении КА солнечные батареи обеспечивают потребную мощность. Космический аппарат предназначен для дистанционного зондирования Земли.

Двигательная установка (3) расположена таким образом, что вектор тяги проходит через центр масс аппарата, и лежит на одной прямой с вектором направления движения. По условиям задания КА должен двигаться по круговой орбите на высоте h=400км, и в любом месте орбиты продольная ось аппарата должна быть направленной на землю. Время функционирования составляет 10 процентов от времени существования КА, т.е. . Для выполнения данной задачи, недостаточно применения одного движителя, поэтому решено установить на КА два движителя, работающих посменно. После того как первый ПИД отработает свой ресурс, необходимо будет повернуть КА в пространстве так, чтобы вектор тяги резервного ПИДа проходил через центр масс КА и лежал на оси направления движения. На борту КА установлена измерительная аппаратура, позволяющая проводить исследование уровня радиации, зондировать поверхность Земли, измерять давление и температуру на соответствующей высоте.

3 Разработка функциональной схемы двигательного блока. Описание схемы

Функциональная схема (ХАИ.06.441.11.СГ.03.) дает подробное представление о работе двигательной установки и представляет собой совокупность функциональных элементов соединенных между собой. На данной схеме представлены прямые и обратные связи, по которым происходит обмен информацией между элементами.

На функциональной схеме представлены следующие элементы

1. Система управления (СУ);

1. Энергоустановка КА;

2. Система управления двигательной установкой (СУДУ);

3. Система электропитания (СЭП);

4. СХПРТ;

5. Двигательный блок (ДБ).

Система управления имеет связи почти со всеми элементами схемы. Это объясняется тем, что она играет главенствующую роль в работе движителя – координирует работу других систем.

Энергоустановка снабжает энергией все элементы движительного блока. Она не является объектом разработки в данной курсовой работе, но без нее работа движителя невозможна. Она имеет прямые и обратные связи с системой управления.

Система хранения и подачи рабочего тела обеспечивает хранение рабочего тела (в нашем случае это ксенон) во время полета, а также дальнейшую его подачу в ДБ через сложную систему датчиков, которые четко регулируют как количество, так и давление рабочего тела в трубопроводе, клапанов, которые используют для своевременной подачи или отключения подачи рабочего тела в полость трубопровода или на его выходе и т.д.

ДБ на структурной схеме состоит из ДБ1 и ДБ2, так как это необходимо для повышения надежности. ДБ является потребителем электроэнергии и рабочего тела.

4 Инженерный расчёт ПИД

4.1 Принцип работы ПИД и схема его расчета

Для проведения инженерного расчёта ПИД необходимо изучить механизм, определяющий его работу и конструктивные особенности. Рисунок 4.1 иллюстрирует процессы, включающие в себя рождение и ускорение ионов. Электроны, эмитируемые катодом, ускоряются электрическим полем (возникающим благодаря напряжению, приложенному к разряду) и соударяются с нейтральными частицами рабочего вещества, ионизируя его. В результате таких столкновений образуются ионы и электроны. Ионы под действием электростатических полей движутся к ИОС, а электроны к аноду. Для увеличения времени жизни электронов, в ГРК движителя создают магнитные поля осевой, радиальной или пристеночной конфигурации. Степень ионизации зависит от энергии электронов и их концентрации в рабочем объёме ГРК, а также от концентрации рабочего вещества. Концентрация рабочего вещества зависит от тяги движителя, которую необходимо обеспечить, и является функцией массового расхода, энергия электронов зависит от тока и напряжения катода.

Рисунок 4.1 Схема столкновений в ГРК ПИД.

На рисунке 4.1 чёрными точками обозначены первичные электроны, которые при столкновении с нейтральными атомами (обозначенные буквой n в кружочке) образуют пару электрон-ион. Под действием электростатических сил электроны движутся к аноду, а ионы к ИОС. Столкновения электронов с нейтральными частицами рабочего тела приводит к появлению вторичных электронов и перераспределению между ними энергии. В ПИД первичные и вторичные электроны находятся совместно. Хотя концентрация первичных электронов мала (меньше 10% суммарной концентрации электронов), приблизительно половина всех актов ионизации происходит обычно при их участии.