Реферат: Ионно-плазменные двигатели с высоко-частотной безэлектродной ионизацией рабочего тела
Запишем уравнение баланса энергии в интегральной форме для промежутка времени в предположении установившегося процесса работы двигателя:
, (2.13)
где Qрас –потери энергии в двигателе, связанные с рассеянием ее в стенки камеры и сопла и др.;
Ср0 , Сра – изобарные теплоемкости рабочего тела соответственно при температурах рабочего тела на входе в камеру и на выходе из сопла, Дж/(кг*К);
Т0 , Та - температуры рабочего тела соответственно на входе в камеру и на выходе из сопла, К;
w0 , wа – скорости потока рабочего тела соответственно на входе в камеру и на выходе из сопла, м/с.
Разделим все члены записанного уравнения на (), т.е. приведем его к удельной форме:
, (2.14)
Его можно записать иначе:
, (2.15)
где .
Связь параметров рабочего тела на срезе сопла с параметрами в камере определяется следующей зависимостью:
или
. (2.16)
С учетом допущения об идеальности рабочего тела:
. (2.17)
Исходя из предположения адиабатности течения, получим:
, (2.18)
хотя на самом деле течение является изоэнтропным, в данной формуле, так же как и в последующих, следует вместо k писать nиз , причем nиз <k.
Исходя из вышеприведенных формул, имеем:
. (2.19)
Связь параметров рабочего тела в критическом сечении сопла с параметрами в камере:
или
,
, (2.20)
,
.
Определим связь параметров рабочего тела в камере с площадью критического сечения сопла. Из уравнения:
, (2.21)
получим:
. (2.22)
Моделирование основных газодинамических процессов в ЭНД с ВЧ нагревом рабочего тела, в качестве которого использовались различные водород содержащие и водород не содержащие газы, осуществлялось с использованием вышеприведенных формул.
Заключение
С использованием приведенных выше формул были проведены численные расчеты рабочих характеристик реактивного двигателя для рабочих тел (как водород содержащих Н2 , NН3 , Н2 О, 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
Параметр | Газ | ||||||
Водо- род | Гелий | Ам- миак | Азот | Воз- дух | Аргон | Ксе- нон | |
Хим. формула | Н2 | Не2 | NН3 | N2 | Ar | Xe | |
Молекулярная масса, кг/моль | 2 | 4 | 17 | 28 | 29 | 40 | 131 |
Газовая постоянная, Дж/(кг К) | 4157 | 2078,5 | 489,06 | 296,93 | 286,69 | 207,85 | 63,466 |
Показатель адиабаты | 1,4 | 1,66 | 1,29 | 1,4 | 1,4 | 1,66 | 1,66 |
Удельный импульс, с | 5197,4 | 3191,5 | 1949 | 1388,8 | 1365,9 | 1010,6 | 567,06 |
Масса РТ, кг | 9,6203 | 15,66 | 25,65 | 36 | 36,607 | 48,05 | 80,76 |
Масса СХП, кг | 212,64 | 181,02 | 89,512 | 90,623 | 90,339 | 101,75 | 115,86 |
Масса всей системы, кг | 222,26 | 196,68 | 115,16 | 126,62 | 126,94 | 149,8 | 196,62 |
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.
??????? 4. ??????????? ????????? ???????? ??, ????? ???????????? ???????? ????, ????? ??? ????? ???????? ????, ? ????????? ????? ??? ? ???????? ???? ?? ???? ???????? ????.
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
Обозначения | Индексы |
а – скорость звука, м/с; | * - равновесный параметр; |
В – индукция магнитного поля, Тл; | а – выходное сечение параметра; |
F – сила, Н; | кр – критическое сечение сопла; |
Iс – ток катушки, А; | к – сечение камеры сгорания |
Ib – ток ионного пучка, А; | реактивного двигателя; |
k – показатель адиабаты; | max – максимальный; |
m – масса, кг; | min – минимальный; |
- массовый расход, кг/с; | opt – оптимальный; |
N –мощность, Вт; | б – бак; |
n –концентрация частиц, м-1 ; | к – камера; |
P – давление, Па; | 0 – начальный; |
T – температура, К; | |
U – напряжение, В; | |
W – скорость, м/с; | |
r - плотность, кг/м3 ; | |
P, R – тяга ракетного двигателя, Н; | |
h - тяговый КПД; | |
t - приращение по времени, с; | |
f - потенциал ионизации, эВ; | |
s - сечение ионизации, см2 ; | |
w - частота, 1/с; |
Сокращения
АЭД – автоэмиссионный двигатель;
ВЧ – высокочастотный;
ИПД – импульсный плазменный двигатель;
КА – космический аппарат;
КПД – коэффициент полезного действия;