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 нагревом рабочего тела	13
2.1 Математический аппарат численной модели термогазодинамических процессов, имеющих место в камере и сопловом аппарате ракетного двигателя	13
2.2 Термодинамические процессы, протекающие в камере электронагревного движителя	16
Заключение	20
Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов	22
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

№ п.п	Характеристики движителя
	Тип движителя	Рабочее тело	Характеристическая тяга, г	Характеристическая скорость, м/с	Цена тяги, Вт/г	КПД, %	Особенности, ограничивающие ресурс	Примечание
1	Стационарный плазменный движитель (СПД)	Ксенон (газ)	1…5	18000… 25000	³150	30…50	Ресурс катода компенсатора и керамических изоляторов
2	Движитель с анодным слоем (ДАС)	Газ, жидкий металл	1…3	25000… 35000	³200	30…45	Ресурс катода компенсатора, ресурс электродов
3	Плазменный ионный движитель (ПИД)	Газ, жидкий металл	1…10 и более	30000… 100000	³300	30…45	Ресурс катода компенсатора и ионно-оптической системы	Увеличение тяги приводит к увеличению размеров
4	Торцевой холовский движитель (ТХД)	Газ, жидкий металл	1…3	25000… 35000	³300	25…40	Электроды и катодный узел	Увеличение тяги пропорционально уменьшению ресурса
5	Электро-нагревный движитель (ЭНД)	Газ	1…5	1000… 4000	50…150	20…30	Нагреватель
6	ВЧ-движитель	Газ	1…10	3000… 15000	30…100	40…50	Отсутствуют

1 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.

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.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--