Проектирование плазменно-ионного двигателя
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ
а - радиус орбиты космического аппарата относительно центра земли, км;
B - индукция магнитного поля,
- ширина полюсных наконечников,
- цена иона, эВ/ион;
- коэффициент аэродинамического сопротивления;
- расстояние между электродами ионно-оптической системы, мм;
- диаметр бака,
- диаметр движителя, м;
- диаметр проволоки соленоида,
- диаметр ресивера,
- характерный диаметр космического аппарата, м;
- допускаемая напряжённость электрического поля между электродами, В/см;
G - геометрический параметр ионно-оптической системы;
h - высота орбиты относительно поверхности Земли, км;
- ток соленоида,
- электронный ток с катода, А;
- ток ионного пучка, А;
- разрядный ток в газоразрядной камере, А;
- удельный импульс движителя, м/с;
- плотность тока, А/;
- плотность тока соленоида,
- коэффициент использования массы;
kз - гравитационный параметр Земли, км3/с2;
kрт коэффициент, учитывающий потерю рабочего тела при хранении;
- характерный размер камеры, длина разрядной камеры движителя,
- масса конструкции бака,
- масса заправленного бака,
- масса конструкции ресивера,
- необходимый запас рабочего тела, кг;
- полная масса рабочего вещества в ресивере,
- текущая масса рабочего вещества в ресивере,
- масса рабочего вещества покинувшего объём ресивера,
- масса рабочего вещества, находящегося в ресивере в момент его заполнения,
- секундный массовый расход рабочего тела, кг/с;
- поступление массы рабочего вещества в ресивер в единицу времени, кг/с;
- число катушек соленоида;
- мощность, потребляемая двигательной установкой, Вт;
- средняя потребляемая мощность нагрузки, Вт;
- установившаяся мощность солнечной батареи, Вт;
- число включений и включений электроклапана;
- плотность ионов, количество ионов в единице объёма, 1/;
- плотность электронов, количество электронов в единице объёма, 1/;
- число отверстий в ионно-оптической системе;
- критическое давление, при котором происходит фазовый переход р.т.,
- максимальное давление, которое может быть достигнуто в ресивере,
- тяга электроракетного движителя, Н;
- первеанс,
- давление внутри ресивера,
- давление внутри движителя,
- принимаемое давление хранения р.т.,
- универсальная газовая постоянная, Дж?М/К;
Rатм - сила сопротивления атмосферы на заданной орбите;
- радиус Земли, км;
- ларморовский радиус электронов,
- ларморовский радиус ионов,
- радиус наконечника катода,
- расстояние от оси движителя до полюсных наконечников,
- больший радиус тора, ресивера,
- характерный размер отверстия в электродах, м;
- меньший радиус тора, ресивера,
- площадь боковой поверхности бака,
- площадь боковой поверхности ресивера,
- площадь отверстий в ионно-оптической системе, ;
- полная площадь сечения ПИД, м;
- площадь проволоки соленоида,
- характерная площадь поперечного сечения космического аппарата, ;
- эффективная площадь сечения движителя, м;
T - период обращения спутника вокруг Земли, с;
- критическая температура, при которой происходит фазовый переход р.т.,
- температура максвелловских электронов, К;
- температура, до которой бак может разогреться в условиях космического пространства,
- максимальная температура, до которой ресивер может разогреться в УКП,
- температура внутри ресивера,
- принимаемая температура хранения р.т.,
- время заполнения всего объёма ресивера, с;
- время цикла работы ресивера, с;
- ускоряющее напряжение между электродами ионно-оптической системы, В;
- объём бака,
- скорость истечения рабочего тела, ;
- скорость космического аппарата на орбите, км/с;
- объём ресивера,
- характеристическая скорость космического аппарата на орбите, км/с;
Xe - ксенон, рабочее тело движителя;
- напряжение разряда в газоразрядной камере, эВ;
- число ампер витков одной катушки;
- суммарное число ампер витков;
? - выработка рабочего тела из бака;
- коэффициент складирования;
- минимальная толщина стенки бака,
- минимальная толщина стенки ресивера,
- толщина ускоряющего электрода ионно-оптической системы, мм;
- толщина экранного электрода ионно-оптической системы, мм;
- толщина стенки ресивера,
- прозрачность электродов;
- коэффициент полезного действия движителя;
- плотность композиционного материала, из которого изготовлен бак,
- плотность воздуха на заданной орбите, кг/м3;
- плотность материала ресивера,
- предел текучести,
- предел прочности,
- время существования космического аппарата, с;
- максимальное время нахождения космического аппарата в тени Земли, с;
- минимальное время нахождения космического аппарата на световом участке, с;
- потенциал ионизации рабочего тела, эВ;
- первый потенциал возбуждения рабочего тела, эВ;
ГРК - газоразрядная камера;
ДУ - двигательная установка;
ИОС - ионно-оптическая система;
ИСЗ - искусственный спутник Земли;
КА - космический аппарат;
КЛА - космический летательный аппарат;
КМ - композиционный материал;
КПД - коэффициент полезного действия;
ПИД - плазменно-ионный движитель;
СХПРТ - система хранения и подачи рабочего тела;
УКП - условия космического пространства;
ЭРД - электроракетный движитель;
ЭРДУ - электроракетная двигательная установка.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие космических систем различного назначения позволяет в настоящее время ставить и решать многие научно-технические, оборонные и народнохозяйственные задачи непосредственно в космосе
В настоящие время главное внимание уделяется разработкам ЭРДУ для выполнения следующих задач:
· стабилизация спутников: компенсация внешних возмущающих сил, вызываемых микрометеоритами, градиентами гравитационных полей и давлением солнечной радиации, компенсация внутренних возмущений, вызываемых движущимися элементами спутника, в том числе различными маховичными системами;
· орбитальные: коррекция ошибок в запуске, компенсация гравитационных сил, вызванных несферичностью Земли, и давления солнечной радиации.
· в интересах народного хозяйства: использование околоземного пространства для практических задач совершенствования связи, метеорологии, навигации, геодезии, разведки полезных ископаемых, мобилизации дополнительных сельскохозяйственных ресурсов.
Электрореактивные двигатели (ЭРД) открыли новое направление в космическом двигателестроении. ЭРД отличаются от существующих космических двигателей, работающих на химических топливах, более высокой экономичностью, но одновременно значительно меньшей тяговооружённостью, возможностью получения малых единичных импульсов, большим числом включений. Вместе с тем разделение источников энергии и рабочего вещества в ЭРД и использование электромагнитного поля для ускорения рабочего вещества позволяет значительно (на один-два порядка) увеличить удельный импульс, а соответственно и экономичность ЭРД по сравнению с химическими реактивными двигателями. Это предопределяет области применимости ЭРДУ для космических летательных аппаратов с большими временами активного функционирования (5-10 лет).
Задание
Спроектировать электрореактивную двигательную установку на базе плазменно-ионного движителя для ориентации орбиты искусственного спутника Земли.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:
Таблица 1
1. Орбита -- круговая |
=525 км |
|
2. Время существования КА |
=6 лет |
|
3. Характерный диаметр КА |
=3 м |
|
4. КПД ЭРД, движителя |