Курсовая работа: Проектирование плазменно-ионного двигателя

Ион-ионные столкновения слабо влияют на общее направление движения ионов, т.к. ионы ускоряются в основном в направлении градиента потенциала плазмы, а, следовательно, все ионы в заданной точке двигаются в одном общем направлении. Следовательно, ион-ионные столкновения должны мало влиять на движение потока ионов.

Часть ионов, которая движится к ускоряющим электродам, пересекает плазменный слой около экранирующего электрода и, ускоряясь напряжением в несколько киловольт, покидает электроды ИОС систему ПИД, создавая тягу движителя.

4.2 Выбор рабочего тела для ПИД

На первичном этапе разработки ПИД в качестве рабочих тел использовали металлы. Их выбор был связан в основном с самими ускорителями, а не определялся всей проблемой КЛА в целом. Металлы предпочтительны из-за своего большого атомного веса, высокой плотности рабочего тела, а в случае цезия – из-за низкого потенциала ионизации. Однако, при использование металлических рабочих тел возникает проблема их конденсации на КА, а в случае применения больших космических ЭРДУ существенным является и цена рабочего тела. В связи с этим появляется интерес к газообразным рабочим телам. При выборе рабочего тела необходимо принимать во внимание весь комплекс требований предъявляемых к рабочему веществу. Не одно рабочее тело не обладает такими свойствами, которые одновременно удовлетворяли бы всем предъявляемым к нему требованиям. Поэтому при выборе рабочего тела следует классификацию требований по их значимости для проектируемого движителя, которые определяются конструктором.

В расчёте данного движителя предпочтение отдаётся газообразным рабочим веществам, что связано с простотой СХПРТ, работающем на газообразном рабочем теле, и его малой массой, а также высокой надёжностью ЭРДУ в целом. При выборе рабочего тела необходимо учитывать его удельные и энергетические характеристики. Желательно использовать такие вещества, у которых низкий потенциал ионизации в сочетании с большой молекулярной массой. Низкий потенциал ионизации определяет минимальные затраты энергии подводимой на катод для ионизации рабочего вещества. Масса иона рабочего тела определяет тяговые характеристики движителя, а также объём рабочего вещества, который необходимо запасти для функционирования движителя в течение заданного промежутка времени.

Из всех газообразных веществ, используемых в качестве рабочего тела для ЭРД, в данном проекте выбирается инертный газ ксенон, который имеет малый потенциал ионизации при высокой молекулярной массе иона.

4.3 Расчет параметров ионно-оптической системы

Скорость истечения рабочего тела для ионного движителя равна (для однократно заряженных ионов):

(4.1)

где е – заряд электрона (1,6∙10^-19 Кл);

m_i – масса иона ( для ксенона );

U_уск – напряжение между электродами ионно-оптической системы, В.

Но так как ν известно из формулы (1.5), то из формулы (4.1) определяем необходимое ускоряющее напряжение:

(4.2)

Выражение для тяги ионного движителя с однократно заряженными ионами запишем так:

(4.3)

где P_ЭРД – тяга ПИД, Н;

I_i – ток ионного пучка, А.

Из выражения (4.3) можем определить ток ионного пучка I_i , необходимый при заданном напряжении U для получения тяги R:

(4.4)

Ионно-оптическая система является одним из основных узлов, определяющих работу плазменно-ионного движителя. Точные расчеты, проектирование и изготовление ее электродов увеличивает тяговый КПД движителя и его ресурс.

При расчете и проектировании ионно-оптических систем необходимо учитывать закономерности интенсивных ионных течений в стационарных электрических полях в условиях вакуума. Мерой интенсивности течений является его первеанс Р, определяемый как отношение тока пучка I_i к ускоряющему напряжению U в степени три вторых:

(4.5)

Плотность тока для случая одномерного течения однозарядных ионов между плоскими параллельными электродами записывается следующим образом:

(4.6)

где j – плотность тока в ПИД, А/м² ;

ε_о – электрическая постоянная, равная 8,85∙10^-12 Ф∙м^-1 ;

d – расстояние между электродами ИОС, м;

δ_экр – толщина экранного электрода, м;

δ_уск – толщина ускоряющего электрода, м;

е – заряд электрона, Кл;