1

Министерство образования и науки, молодежи спорта Украины

Национальный Аэрокосмический Университет

имени Н. Е. Жуковского «ХАИ»

кафедра 401

Двигательная установка КА специального назначения

Расчетно-пояснительная записка к расчетно-графической работе

по курсу «Основы теории проектирования плазменных ускорителей »

ХАИ.401.441.10В.ПЗ

Выполнил:ст. гр. 441

Шаповал Ю.А.

Проверил: доцент к. 401,

к.т.н. Лоян А.В

Харьков 2014

Реферат

Количество страниц в записке – 49; количество таблиц – 7; количество иллюстраций – 22; количество источников – 4.

Целью работы является проектирование двигательной установки космического назначения на основе стационарного плазменного движителя.

Расчет проводился при использовании известных методик, приведенных в источниках. Были рассчитаны основные параметры СПД, среди которых:

• Геометрические параметры;

• Тяговая и кинетическая мощность ионов;

• Толщина слоя ионизации;

• Разрядный ток и напряжение;

• Разрядная мощность и тяговый КПД;

• Ресурс

• Параметры магнитной системы.

Был проведен расчет элементов системы хранения и подачи рабочего тела, а именно: бака, термодросселя и жиклера. Была скомпонована двигательная установка.

Результаты расчета СПД: создаваемая тяга – 1,83·10^-2 Н, удельный импульс – 10000 м/с, срок службы - 2,88·10⁶ сек, мощность ДУ – 265 Вт, тяговый к. п. д. – 0,38.

Ключевые слова: СПД, КА, Фобос, СХПРТ.

Содержание

Перечень условных обозначений, символов, сокращений и терминов…………………………………………………………………..4

Введение…………………………………………………………………..5

1. Минимальный баллистический расчет…………………………….6 1.1 Определение характеристической скорости……………………..6 1.2 Прогноз массы и мощности, потребляемой аппаратом…………7 1.3 Выбор двигателя, определение оптимального удельного импульса………………………………………………………………..8

2. Расчет характеристик СПД…………………………………………13 2.1 Расчет основных параметров СПД……………………………….13

   1. Определение геометрических параметров…………………13

   2. Определение тяговой и кинетической мощности ионов….14

   3. Определение толщины слоя ионизации……………………15

   4. Расчет разрядного тока и напряжения……………………..16

   5. Определение разрядной мощности и тягового КПД……..17

   6. Определение ресурса двигателя…………………………...18

   1. Расчет элементов магнитной системы СПД…………………...20

      1. Приближенный расчет………………………………………20

      2. Проверка результатов в среде Maxwell Ansoft……………29

      3. Подбор оптимальных параметров магнитной системы….33

   2. Описание чертежа общего вида СПД………………………….36

      1. Основные рабочие процессы в СПД……………………….36

      2. Требования к конструкционным материалам……………..38

      3. Описание конструкции СПД……………………………….38

3. Расчет элементов схпрт………………………………………….40

   1. Состав СХПРТ…………………………………………………..40

   2. Расчет проектных параметров бака……………………………41

   3. Расчет проектных параметров термодросселя………………..44

   4. Расчет проектных параметров жиклера……………………….45

4. Разработка и описание чертежа общего вида ду………………..47

Список используемой литературы……………………………………48

Перечень документов…………………………………………………...49

Перечень условных обозначений, символов, сокращений и терминов

СПД – стационарный плазменный движитель;

РК – разрядная камера;

РТ - рабочее тело;

ЭРД - электрореактивный движитель;

ЭРДУ – электрореактивная движительная установка.

ДУ – движительная установка;

КА – космический аппарат;

РТ – рабочее тело;

СХПРТ – система хранения и подачи рабочего тела;

СЭС – система электроснабжения;

ДД – датчик давления;

ДТ – датчик температури;

ПрК – пироклапан;

ЭК – электроклапан;

Ж – жиклер;

ЗУ – заправочное устройство;

РД – редуктор;

РК – разрядная камера;

ГПВК – газоразрядный полый высокоэмиссионный катод;

КК – катод-компенсатор;

АГ – анод-газораспределитель;

b_k – ширина ускорительного канала, м;

C_т - цена тяги, Н/Вт;

D - средний диаметр движителя, м;

D_вп, R_вп - диаметр и радиус внутреннего полюсного наконечника, м;

D_нп, R_нп - диаметр и радиус наружного полюсного наконечника, м;

D_у - габаритный размер движителя, м;

e – единичный заряд, Кл;

- токовый эквивалент массового расхода рабочего тела, А;

I_p - разрядный ток, А;

I_уд - удельный импульс, м/с;

l_k – длина ускорительного канала, м;

M - масса атома ксенона, кг;

, - массовый расход рабочего тела через анодный блок и катод, кг/с;

N_и - кинетическая мощность потока ионов, Вт;

N_p - разрядная мощность, Вт;

N_т - тяговая мощность, Вт;

P - тяга движителя, Н;

U_p - разрядное напряжение, В;

R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К);

Введение

Решение многих задач космонавтики связано с широким использованием космических электроракетных двигательных установок, исполнительными органами которых являются электрические ракетные двигатели.

Электроракетные движители (ЭРД) представляют собой класс устройств, в которых тяговое усилие получается в результате преобразования электрической энергии в кинетическую энергию выбрасываемой из них массы рабочего тела.

В данной работе разрабатывалась установка на основе стационарного плазменного двигателя. СПД – это плазменные электрореактивные двигатели с азимутальным дрейфом электронов, в которых тяга создается путем ускорения ионной компоненты плазмы в электрическом поле. Двигатель имеет разрядную камеру, в которую через анод-газораспределитель подается рабочее тело. В РК движителя осуществляется ионизация атомов рабочего тела электронами и ускорение ионов. Магнитная система включает в себя полюсные наконечники, магнитопровод, катушки намагничивания. Ионизация рабочего тела по мере его продвижения к выходу РК СПД начинается непосредственно у анода-газораспределителя. Формирование направленного ионного тока потока, который обеспечивает создание тяги, начинается на участке РК вблизи среза ускорителя, где электрическое поле принимает положительное значение. В данной работе рассчитывались структурная надежность системы хранения и подачи рабочего тела, физическая надежность резьбового соединения и прочность стенки диэлектрической камеры. В СПД используется принцип ускорения заряженных частиц электромагнитным полем, на создание которого используется электрическая энергия. Источником этой энергии является фотоэлектрический преобразователь. Для получения требуемой надежности двигательной установки следует зарезервировать некоторые элементы.