Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель. Плазменно ионный двигатель


плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель - патент РФ 2397363

Изобретение предназначено для использования в аэрокосмической технике в качестве маршевых и стационарных двигателей как источник электроэнергии для аэрокосмических аппаратов. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель содержит диффузор, рабочую камеру, конфузор и устройство подачи рабочей среды в камеру. Двигатель снабжен плазменным генератором, размещенным вокруг рабочей камеры, устройством, генерирующим переменное магнитное поле, и ядерным импульсным подкритическим реактором. Последний соединен с накопителем нейтронов и нейтронным каскадным умножителем, сообщен с кольцевым генератором электрического тока в виде полого кольца и представляет собой энергетический модуль. Реактор также соединен с ионизаторами рабочей среды, связан ними с бортовым и внешним источниками этой среды. Источники рабочей среды соединены с помощью каналов ввода рабочей среды с полостью рабочей камеры - ускорителем заряженных частиц. Изобретение позволяет повысить удельную энерговооруженность и КПД тяги. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2397363

Изобретение предназначено для использования в аэрокосмической технике в качестве маршевых и стационарных двигателей как источник электроэнергии для аэрокосмических аппаратов.

Известные плазменно-ионные двигатели имеют камеры для ионизации рабочей среды и ускорители заряженных частиц (патент Российской Федерации RU 2246035 ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КОШКИНА, патент РФ № 2162624, патент РФ № 2162958).

Двигатели такого типа имеют существенные недостатки: большие затраты электроэнергии на ионизацию рабочего тела и получение плазмы снижают общий КПД и увеличивают потребление электроэнергии. Раздельное проектирование двигателей и источников электроэнергии не позволяет в полной мере решать все базовые проблемы плазменно-ионных двигателей, такие как удельная мощность на единицу массы двигателя, которая определяет максимальную скорость и истекание рабочей среды, соответственно, КПД и максимальную полезную нагрузку, а также время перелетов космических аппаратов с низкой орбиты на геостационарную орбиту.

Технической задачей и положительным результатом изобретения является создание плазменно-ионного комбинированного воздушно-реактивного двигателя на кольцевых генераторах, обладающего высокой удельной энерговооруженностью и КПД тяги.

Этот двигатель, за счет конструкции плазменно-ионного комбинированного воздушно-реактивного двигателя содержащий диффузор, рабочую камеру, конфузор, устройство подачи рабочей среды в камеру, снабжен плазменным генератором, устройством, генерирующим переменное магнитное поле, размещенным вокруг рабочей камеры, ядерным импульсным подкритическим реактором, соединенным с накопителем нейтронов и нейтронным каскадным умножителем и сообщенным с кольцевым генератором электрического тока, выполненным в виде полого кольца, представляющим энергетический модуль, реактор также соединен с ионизаторами рабочей среды, связан ими с бортовым и внешним источниками этой среды, соединенными с помощью каналов ввода рабочей среды с полостью рабочей камеры - ускорителем заряженных частиц. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель снабжен несколькими модулями, включающими кольцевой генератор электрического тока, ядерный импульсный подкритический реактор, накопителями нейтронов и нейтронными каскадными умножителями. Рабочая камера, ее конфузор и диффузор имеют возможность реверсивной работы за счет оснащения рабочей камеры с двух ее сторон каналами ввода рабочей ионизированной среды, оснащенными управляемыми клапанами.

В электрореактивных двигателях, как и в двигателях на химическом топливе, сила тяги F связана с параметрами потока рабочего тела в следующем соотношении: F=mu, где m - удельный расход рабочего тела и u - средняя скорость его истечения. Реактивная мощность, выделяющаяся в виде кинетической энергии струи рабочего тела, записывается как Рстр=mu2. Тяговый КПД двигательной установки, в которой используются электрические двигатели, равен мощности струи Рстр к электрической мощности, подводимой от источника питания: д.у=Рстр/Рвх. Уравнение можно записать следующим образом: д.у=F2/2mРвх . Удельный импульс реактивного двигателя Iуд=u/g 0 где g0 - ускорение силы тяжести (9,8 м/с 2). Уравнение можно переписать в виде д.у=F g0 Iуд/2Рвх или F/Рвх=2д.у/g0Iуд. Соотношение является основным уравнением для электроракетных двигательных установок, связывающим между собой тягу и подводимую электрическую мощность. Тяговый КПД двигательной установки д.у, учитывающий все виды потерь энергии при получении тяги, можно в свою очередь представить в виде произведения нескольких КПД, характеризирующих отдельные виды потерь в установке. д.у=пр·дв где пр - КПД энергопреобразователя, а дв - КПД движителя ("Знание - сила" № 5 1959 год 5; Космические двигатели: состояние и перспективы. М.: МИР 1988).

На фиг.1 показана конструктивная схема двигателя; на фиг.2 - общий вид этого двигателя. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель содержит: каскадные нейтронные умножители 1, накопитель нейтронов 2, импульсный подкритический ядерный реактор 3, кольцевой генератор 4, узел наложения магнитного поля 5, ионизирующую камеру 6, узел подачи рабочей среды 7 для образования плазмы 8, кольцевой канал 9 подачи рабочей среды, ускоритель заряженных частиц 10, разгоняемые ионизированные частицы плазмы 11, в рабочем канале образовавшуюся высокоскоростную струю 12, где набегающий в канал 11 поток воздуха 13 смешивается с высокоионизированными частицами плазмы в объеме струи (фиг.1), диффузор 14(15) и конфузор 15(14) для работы двигателя в реверсивных направлениях. Двигатель содержит несколько энергоблоков 16 для набора мощности. Управляемые клапаны 17 служат для изменения подачи рабочей среды в тот-9 или иной-9 канал, а также имеет переключатель 18 подачи рабочей среды и переключатель 19 ускорителя 10 для реверсивной роботы двигателя и изменения направления тяги.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом: нейтронные каскадные умножители 1 подают пучки тепловых нейтронов в накопители нейтронов 2, откуда через равные промежутки времени выпускаются дискретные высокоплотные пучки нейтронов (10 18-1019 нейтрон в сек), которые подаются в импульсный подкритический ядерный реактор 3. В результате интенсивных ядерных реакций высвобождается большое количество тепловой энергии (100 МВт) за 104-доли секунды, генерируется ударная волна внутри кольцевого генератора 4, которая перемещает магнитную или токопроводящую среду, заполняющую кольцевой генератор, при наложении магнитного поля 5 запасенная кинетическая энергия преобразуется в электрическую. С помощью импульсного подкритического ядерного реактора образуют мощное ионизирующее излучение, его направляют в ионизирующую камеру 6, через которую пропускают внешнюю или запасенную среду 7, в результате чего образуется высокоионизированная плазма 8, которая подается через кольцевой канал 9 к ускорителю заряженных частиц 10, на который также подают электрическую мощность от кольцевых генераторов, состоящих из нескольких энергоблоков 16, в результате ускорения ионизированных частиц плазмы 11 заряженные частицы сталкиваются с нейтральными частицами, вызывая их ионизацию, а ускорение ионов возникает вследствие взаимодействия тока, протекающего по плазме с магнитным полем ускорителя, что приводит к увеличению числа заряженных частиц и образованию высокоскоростной струи 12 и тяги двигателя в газовой среде (в атмосфере планеты), где набегающий поток воздуха 13 смешивается в диффузоре 14 с высокоионизированной плазмой и попадает в ускоритель заряженных частиц, где ионы ускоряются с образованием новых ионов и вылетают в конфузор 15, поскольку истекающая плазма состоит из ионов и электронов, дополнительного устройства для нейтрализации струи не требуется. Так в режиме полета в атмосфере плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель имеет максимальный расход рабочей среды и оптимальную скорость истечения рабочего тела, а в стратосфере средний расход рабочей среды и среднюю скорость истечения, в космосе минимальный расход и максимальную скорость истечения. С целью увеличения объемов получаемой плазмы и электрической мощности, подаваемой на ускоритель, двигатель содержит несколько энергоблоков 16. Меняя направление подачи рабочей среды при помощи клапанов 17 и переключателя подачи рабочей 18, а также меняя направление работы ускорителя при помощи переключателя 19, можно реверсировать тягу двигателя.

Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель применим как маршевый двигатель для летательных аппаратов типа самолетов, так и для одноступенчатых космических аппаратов.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель, содержащий диффузор, рабочую камеру, конфузор, устройство подачи рабочей среды в камеру, отличающийся тем, что он снабжен плазменным генератором, устройством, генерирующим переменное магнитное поле, размещенным вокруг рабочей камеры, ядерным импульсным подкритическим реактором, соединенным с накопителем нейтронов и нейтронным каскадным умножителем и сообщенным с кольцевым генератором электрического тока, выполненным в виде полого кольца, представляющий энергетический модуль реактор также соединен с ионизаторами рабочей среды, связан ими с бортовым и внешним источником этой среды, соединенными с помощью каналов ввода рабочей среды с полостью рабочей камеры ускорителем заряженных частиц.

2. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен несколькими модулями, включающими кольцевой генератор электрического тока, ядерный импульсный подкритический реактор, накопителями нейтронов и нейтронными каскадными умножителями.

3. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочая камера, ее конфузор и диффузор имеют возможность реверсивной работы за счет оснащения рабочей камеры с двух ее сторон каналами ввода рабочей ионизированной среды, оснащенными управляемыми клапанами.

www.freepatent.ru

Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель

Изобретение предназначено для использования в аэрокосмической технике в качестве маршевых и стационарных двигателей как источник электроэнергии для аэрокосмических аппаратов. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель содержит диффузор, рабочую камеру, конфузор и устройство подачи рабочей среды в камеру. Двигатель снабжен плазменным генератором, размещенным вокруг рабочей камеры, устройством, генерирующим переменное магнитное поле, и ядерным импульсным подкритическим реактором. Последний соединен с накопителем нейтронов и нейтронным каскадным умножителем, сообщен с кольцевым генератором электрического тока в виде полого кольца и представляет собой энергетический модуль. Реактор также соединен с ионизаторами рабочей среды, связан ними с бортовым и внешним источниками этой среды. Источники рабочей среды соединены с помощью каналов ввода рабочей среды с полостью рабочей камеры - ускорителем заряженных частиц. Изобретение позволяет повысить удельную энерговооруженность и КПД тяги. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение предназначено для использования в аэрокосмической технике в качестве маршевых и стационарных двигателей как источник электроэнергии для аэрокосмических аппаратов.

Известные плазменно-ионные двигатели имеют камеры для ионизации рабочей среды и ускорители заряженных частиц (патент Российской Федерации RU 2246035 ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КОШКИНА, патент РФ №2162624, патент РФ №2162958).

Двигатели такого типа имеют существенные недостатки: большие затраты электроэнергии на ионизацию рабочего тела и получение плазмы снижают общий КПД и увеличивают потребление электроэнергии. Раздельное проектирование двигателей и источников электроэнергии не позволяет в полной мере решать все базовые проблемы плазменно-ионных двигателей, такие как удельная мощность на единицу массы двигателя, которая определяет максимальную скорость и истекание рабочей среды, соответственно, КПД и максимальную полезную нагрузку, а также время перелетов космических аппаратов с низкой орбиты на геостационарную орбиту.

Технической задачей и положительным результатом изобретения является создание плазменно-ионного комбинированного воздушно-реактивного двигателя на кольцевых генераторах, обладающего высокой удельной энерговооруженностью и КПД тяги.

Этот двигатель, за счет конструкции плазменно-ионного комбинированного воздушно-реактивного двигателя содержащий диффузор, рабочую камеру, конфузор, устройство подачи рабочей среды в камеру, снабжен плазменным генератором, устройством, генерирующим переменное магнитное поле, размещенным вокруг рабочей камеры, ядерным импульсным подкритическим реактором, соединенным с накопителем нейтронов и нейтронным каскадным умножителем и сообщенным с кольцевым генератором электрического тока, выполненным в виде полого кольца, представляющим энергетический модуль, реактор также соединен с ионизаторами рабочей среды, связан ими с бортовым и внешним источниками этой среды, соединенными с помощью каналов ввода рабочей среды с полостью рабочей камеры - ускорителем заряженных частиц. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель снабжен несколькими модулями, включающими кольцевой генератор электрического тока, ядерный импульсный подкритический реактор, накопителями нейтронов и нейтронными каскадными умножителями. Рабочая камера, ее конфузор и диффузор имеют возможность реверсивной работы за счет оснащения рабочей камеры с двух ее сторон каналами ввода рабочей ионизированной среды, оснащенными управляемыми клапанами.

В электрореактивных двигателях, как и в двигателях на химическом топливе, сила тяги F связана с параметрами потока рабочего тела в следующем соотношении: F=mu, где m - удельный расход рабочего тела и u - средняя скорость его истечения. Реактивная мощность, выделяющаяся в виде кинетической энергии струи рабочего тела, записывается как Рстр=mu2. Тяговый КПД двигательной установки, в которой используются электрические двигатели, равен мощности струи Рстр к электрической мощности, подводимой от источника питания: ηд.у=Рстр/Рвх. Уравнение можно записать следующим образом: ηд.у=F2/2mРвх. Удельный импульс реактивного двигателя Iуд=u/g0 где g0 - ускорение силы тяжести (9,8 м/с2). Уравнение можно переписать в виде ηд.у=F g0 Iуд/2Рвх или F/Рвх=2ηд.у/g0Iуд. Соотношение является основным уравнением для электроракетных двигательных установок, связывающим между собой тягу и подводимую электрическую мощность. Тяговый КПД двигательной установки ηд.у, учитывающий все виды потерь энергии при получении тяги, можно в свою очередь представить в виде произведения нескольких КПД, характеризирующих отдельные виды потерь в установке. ηд.у=ηпр·ηдв где ηпр - КПД энергопреобразователя, а ηдв - КПД движителя ("Знание - сила" №5 1959 год 5; Космические двигатели: состояние и перспективы. М.: МИР 1988).

На фиг.1 показана конструктивная схема двигателя; на фиг.2 - общий вид этого двигателя. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель содержит: каскадные нейтронные умножители 1, накопитель нейтронов 2, импульсный подкритический ядерный реактор 3, кольцевой генератор 4, узел наложения магнитного поля 5, ионизирующую камеру 6, узел подачи рабочей среды 7 для образования плазмы 8, кольцевой канал 9 подачи рабочей среды, ускоритель заряженных частиц 10, разгоняемые ионизированные частицы плазмы 11, в рабочем канале образовавшуюся высокоскоростную струю 12, где набегающий в канал 11 поток воздуха 13 смешивается с высокоионизированными частицами плазмы в объеме струи (фиг.1), диффузор 14(15) и конфузор 15(14) для работы двигателя в реверсивных направлениях. Двигатель содержит несколько энергоблоков 16 для набора мощности. Управляемые клапаны 17 служат для изменения подачи рабочей среды в тот-9 или иной-9 канал, а также имеет переключатель 18 подачи рабочей среды и переключатель 19 ускорителя 10 для реверсивной роботы двигателя и изменения направления тяги.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом: нейтронные каскадные умножители 1 подают пучки тепловых нейтронов в накопители нейтронов 2, откуда через равные промежутки времени выпускаются дискретные высокоплотные пучки нейтронов (1018-1019 нейтрон в сек), которые подаются в импульсный подкритический ядерный реактор 3. В результате интенсивных ядерных реакций высвобождается большое количество тепловой энергии (100 МВт) за 104-доли секунды, генерируется ударная волна внутри кольцевого генератора 4, которая перемещает магнитную или токопроводящую среду, заполняющую кольцевой генератор, при наложении магнитного поля 5 запасенная кинетическая энергия преобразуется в электрическую. С помощью импульсного подкритического ядерного реактора образуют мощное ионизирующее излучение, его направляют в ионизирующую камеру 6, через которую пропускают внешнюю или запасенную среду 7, в результате чего образуется высокоионизированная плазма 8, которая подается через кольцевой канал 9 к ускорителю заряженных частиц 10, на который также подают электрическую мощность от кольцевых генераторов, состоящих из нескольких энергоблоков 16, в результате ускорения ионизированных частиц плазмы 11 заряженные частицы сталкиваются с нейтральными частицами, вызывая их ионизацию, а ускорение ионов возникает вследствие взаимодействия тока, протекающего по плазме с магнитным полем ускорителя, что приводит к увеличению числа заряженных частиц и образованию высокоскоростной струи 12 и тяги двигателя в газовой среде (в атмосфере планеты), где набегающий поток воздуха 13 смешивается в диффузоре 14 с высокоионизированной плазмой и попадает в ускоритель заряженных частиц, где ионы ускоряются с образованием новых ионов и вылетают в конфузор 15, поскольку истекающая плазма состоит из ионов и электронов, дополнительного устройства для нейтрализации струи не требуется. Так в режиме полета в атмосфере плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель имеет максимальный расход рабочей среды и оптимальную скорость истечения рабочего тела, а в стратосфере средний расход рабочей среды и среднюю скорость истечения, в космосе минимальный расход и максимальную скорость истечения. С целью увеличения объемов получаемой плазмы и электрической мощности, подаваемой на ускоритель, двигатель содержит несколько энергоблоков 16. Меняя направление подачи рабочей среды при помощи клапанов 17 и переключателя подачи рабочей 18, а также меняя направление работы ускорителя при помощи переключателя 19, можно реверсировать тягу двигателя.

Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель применим как маршевый двигатель для летательных аппаратов типа самолетов, так и для одноступенчатых космических аппаратов.

1. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель, содержащий диффузор, рабочую камеру, конфузор, устройство подачи рабочей среды в камеру, отличающийся тем, что он снабжен плазменным генератором, устройством, генерирующим переменное магнитное поле, размещенным вокруг рабочей камеры, ядерным импульсным подкритическим реактором, соединенным с накопителем нейтронов и нейтронным каскадным умножителем и сообщенным с кольцевым генератором электрического тока, выполненным в виде полого кольца, представляющий энергетический модуль реактор также соединен с ионизаторами рабочей среды, связан ими с бортовым и внешним источником этой среды, соединенными с помощью каналов ввода рабочей среды с полостью рабочей камеры ускорителем заряженных частиц.

2. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен несколькими модулями, включающими кольцевой генератор электрического тока, ядерный импульсный подкритический реактор, накопителями нейтронов и нейтронными каскадными умножителями.

3. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочая камера, ее конфузор и диффузор имеют возможность реверсивной работы за счет оснащения рабочей камеры с двух ее сторон каналами ввода рабочей ионизированной среды, оснащенными управляемыми клапанами.

www.findpatent.ru

Проектирование плазменно-ионного двигателя - часть 7

(4.22)

Следовательно, индукция магнитного поля будет определяться как:

. (4.23)

Определив необходимую индукцию магнитного поля, рассчитывается ларморовский радиус электронов:

. (4.24)

После определения ларморовского радиуса электронов и ионов, проверяется условие (4.20), если оно выполняется, то расчет проведён правильно.

Исходя из того, что распределение плотности ионного тока у моделей ПИД с радиальным магнитным полем более однородно, чем у движителя с расходящимся или осевым магнитным полем, а, также учитывая, что создание движителя с пристеночным магнитным полем (мультипольное магнитное поле) достаточно сложно с технологической точки зрения, по сравнению с созданием движителя с радиальным магнитным полем. Учтя всё выше сказанное, для проектируемого ПИД, выбирается схема с радиальным магнитным полем. На рисунке 4.2 приведена расчётная схема магнитной цепи для радиального поля.

Рисунок 4.2. Расчётная схема магнитной цепи для радиального поля.

Существует две схемы радиального магнитного поля в ПИД: с внешними магнитными полюсами (т.е. магнитный полюс находится за стенкой ГРК, а материал ГРК камеры подбирается магнитопроводящим) и со встроенными полюсами (т.е. магнитный полюс встроен в стенку ГРК). В данном проекте выбирается схема магнитной цепи с внешними полюсами, следовательно, расстояние от оси движителя до полюсных наконечников будет определяться как:

. (4.25)

где

- ширина полюсного наконечника.

Исходя из опыта применения полых катодов в ПИД, а, также используя рекомендации, предложенные в методическом пособии, рассчитывается радиус наконечника катода, и ширина полюсных наконечников:

. (4.26) , . (4.27)

Ширина полюсных наконечников принимается равной от 2 до 5 ларморовских радиусов электрона, так как это позволяет обеспечить минимум два соударения электрона с ионизируемым рабочем телом, что позволяет обеспечить более высокую плотность ионов на входе ИОС, а, следовательно, и большую тягу движителя, также выбор по такому критерию ширины полюсного наконечника увеличивает время жизни электрона.

Таким образом, используя закон Ома для магнитной цепи, определим число ампер-витков необходимые для создания магнитного поля в объёме ГРК с индукцией В:

(4.28) (4.29)

где

- магнитная проницаемость среды ().

Для дальнейшего расчёта магнитного поля ПИД необходимо выбрать материал для катушек соленоида и диаметр провода. Как правило, в промышленности используют проводники из алюминия или меди. Определяющими критериями в выборе материала являются его плотность и электропроводность, так как плотность меди в 3-2 раза выше плотности алюминия, поэтому при равных размерах катушка с обмоткой из алюминия оказывается значительно легче, чем катушка из меди. Однако электропроводность алюминия составляет только 60% электропроводности меди, поэтому мощность, потребляемая катушкой из алюминия, в 1,67 раза превышает мощность, потребляемую катушкой из меди, создающей то же поле, если размеры катушки одинаковы. Исходя из всего сказанного выше и учитывая повышенные требования, предъявляемые к энергопотреблению движителя, проводник для катушки выбираем диаметром один миллиметр из меди. По рекомендациям, предложенным в методическом пособии [2], плотность тока в сечение проволоки катушки принимаем равной 3А/мм2 , тогда ток, протекающий в катушке соленоида, будет определяться как произведение плотности тока на площадь сечения проволоки:

(4.30)

Таким образом, определив ток и задавшись диаметром проволоки соленоида, и зная суммарное число ампер витков, можно сначала определить суммарное число витков соленоида, которое обеспечит необходимую индукцию магнитного поля, а затем, задавшись числом катушек (так для более равномерного распределения магнитного поля в ГРК ПИД и для упрощения конструкции ПИД принимаем число катушек равным шести (n=6).

(4.31)

определим число витков одной катушки:

(4.32)

· По результатами расчёта магнитного поля определены следующие величины:

· Индукция магнитного поля,

Тл;

· Геометрические параметры магнитной системы,

м, м, м;

· Ток катушки,

А;

· Суммарное число ампер-витков,

;

· Число катушек,

;

· Число витков в одной катушке,

.

Плазменный ионный движитель представляет собой устройство, в котором создание тяги основано на принципе ускорения заряженных частиц.

Общий вид плазменного-ионного двигателя представлен на чертеже ХАИ.06.441п.11.TЧ.04. Заряженные частицы образуются в части движителя, которая называется газоразрядной камерой (ГРК) (6). В состав ГРК входят катодный узел (13), анод (1), и непосредственно корпус газоразрядной камеры (6). Из анода через отверстия коллектора (3) в ГРК поступает рабочее тело - газ (Xe). Из катодного узла (13) в ГРК испускаются электроны. Происходит процесс, т. н. «ионизация ударом» при котором электроны сталкиваются с нейтральными частицами РТ и придают им положительный заряд. Для контроля над процессом ионизации и увеличения коэффициента полезного действия движителя в конструкцию введены дополнительные элементы — магнитопровод (10) и полюсный наконечник (18), которые составляют магнитную систему. Магнитная система создает в ГРК магнитное поле, генерируемое катушками индуктивности (17), которое удерживает электроны в зоне ионизации и не позволяет им оседать на стенки камеры.

Процесс ускорения заряженных частиц осуществляется при помощи ионно- оптической системы ИОС. ИОС представляет собой два разноименно заряженных электрода. Наружный электрод (5) (т. е. ускоряющий электрод) заряжен отрицательно, именно благодаря ему происходит ускорение. Ионы ускоряются электростатическим полем с разностью потенциалов ~ 500 В.

На срезе движителя имеется катод - компенсатор (2), установленный на специальном кронштейне. Задача катода-компенсатора - понижение объемного заряда и нейтрализация ионного пучка на срезе движителя. К катоду-компенсатору подается газ, в катоде образуются электроны, которые и нейтрализуют положительно заряженные ионы. Рабочее тело на анод подается по трубке. Напряжение на элементы ГРК подается по электропроводам. Изоляторы предотвращают возникновение замыкания в ГРК ПИД.

6.1 Разработка и описание функциональной схемы системы хранения и подачи рабочего вещества

Функциональная схема системы электропитания ПИД представлена на чертеже ХАИ.06.441п.11.СГ.06. Блок системы подачи и хранения рабочего тела предназначен для хранения и подготовки соответствующего фазового состояния, а также для дозировки и подачи рабочего вещества в движитель.

mirznanii.com

Проектирование плазменно-ионного двигателя - часть 8

Система хранения и подачи состоит из трёх основных частей:

· а) система хранения;

· б) система дросселирования;

· в) система регулирования и распределения.

Система хранения обеспечивает сохранение рабочего вещества в определённом фазовом состоянии с момента заправки в течение всего срока хранения и эксплуатации ДУ в заданных условиях.

Система дросселирования служит для снижения давления рабочего вещества, поступающего из бака, до определённого уровня и поддержания его на этом уровне в заданных пределах.

Система регулирования и распределения предназначена для обеспечения заданного расхода вещества и подачи его в движитель.

Основными элементами системы хранения являются:

· а) бак, представляющий собой ёмкость сферической формы и предназначенный для хранения рабочего вещества;

· б) заправочная горловина – устройство для заправки и слива рабочего вещества;

· в) датчик давления – прибор, контролирующий давление рабочего вещества в баке;

· г) пироклапан отсекает систему хранения от системы подачи до начала эксплуатации.

Система дросселирования включает:

· а) жиклер, предназначенный для понижения давления до заданного значения;

· б) ресивер – промежуточная ёмкость в магистрали подачи, в которой поддерживается давление рабочего вещества на заданном определённом уровне;

· в) электроклапан, поддерживающий предельно допустимое давление в ресивере.

Система регулирования рабочего вещества состоит из следующих элементов:

· а) жиклёров, электроклапанов, и термодросселей, обеспечивающих заданные расходы в элементы движителя;

· б) электроклапана (ЭК3), предназначенного для стравления воздуха перед началом работы двигателя.

Так как в данной работе учитывается резервирование двигателей. то в СХПРТ предусмотрено две системы подачи рабочего тела отдельно для каждого двигателя.

Расчет системы хранения и подачи рабочего вещества проводим по методическому пособию [3].

Бак рабочего вещества по своему размеру и массе составляет наибольшую часть движительной установки. Требования к материалу и конструкции бака определяются видом выбранного рабочего вещества и схемой системы подачи.

Основные требования к баку:

а) малая масса;

б) прочность;

в) герметичность;

г) коррозионная стойкость;

д) совместимость с выбранным рабочим веществом.

Запишем уравнение состояния газа, учитывая то, что газ при заправке находился под давлением Ро и температуре То :

(6.1)

R=8.31 Дж·М/К– универсальная газовая постояння.

Определим из формулы (6.1) объем бака, т.е. объем рабочего тела Vо , приняв значение Ро =5·106 Па (т.к. не должно превышать критическое давление Ркр ) и То =293 К (температура при нормальных условиях):

Знаяобъем бака, найдем его диаметр dб :

(6.2)

Если изменились условия хранения газа в баке (т.е. То выросла до Тmax ), то уравнение состояния газа примет следующий вид:

Разделив уравнения состояния для двух случаев (Р=Рmax , Т=Тmax и Р=Ро , Т=То ) друг на друга получим:

(6.3)

Величину максимальной температуры Тmax примем равную 400 К.

Зная величину Тmax , определяем Рmax :

(6.4) Па.

Напряжения, возникающие в стенках бака из-за давления Р, определяются по формуле:

. (6.5)

Максимальные напряжения будут возникать в стенках бака при Р=Рmax :

(6.6)

Зная [σ] (в качестве материала, из которого изготавливается бак, выбираем титановый сплав ВТ5, для него степень черноты равна 0,63 [3], допускаемое напряжение (условный предел текучести) – [σ]=800 МПа) и учитывая то, что

≤[σ], вычисляем минимальную толщину стенки бака: , (6.7)

где

- коэффициент запаса.

Для обеспечения достаточной жесткости, чтобы использовать бак, как силовой элемент конструкции СХПРТ, принимаем, с учетом коэффициента запаса прочности

(для сферы), принимаем , тогда

Масса конструкции бака равна:

(6.8) .

Масса заправленного газом бака равна:

(6.9)

Важной характеристикой для СХПРТ, является коэффициент складирования, который показывает, во сколько раз масса заправленного бака больше массы хранящегося в нём рабочего тела.

Лучшей конструкцией бака считается конструкция, у которой γпринимает наименьшее значение.

Следует учесть то, что в использованных формулах мы пренебрегали изменением объема бака при расширении материала его конструкции при нагревании.

Рассчитанная ёмкость для хранения р.т. имеет следующие конструктивные параметры:

1. Сферическая форма бака;

2. Масса бака

;

3. Масса заправленного бака

;

4. Коэффициент складирования

5. Рабочее тело хранится в газообразном состоянии.

Ресивер служит для сглаживания пульсаций давления при подаче рабочего тела из бака и стабилизации параметров газа в магистрали.

Из бака газообразное рабочее тело поступает в ресивер. Перед ресивером стоит электроклапан, который при открытии открывает доступ газу в ресивер. Электроклапан открывается в том случае, когда давление газа в ресивере упало ниже установленного значения и открывает доступ газу. Как только давление в ресивере достигнет требуемой величины, электроклапан закрывается. Давление в ресивере устанавливается всегда таким, чтобы оно было всегда выше давления в движителе. Величина Pрес min задается системой управления для обеспечения расхода рабочего тела с заданной точностью. Система управления задает работу СХПРТ таким образом, чтобы ΔМрес /Мрес << 1. При постоянном расходе рабочего тела давление в системе все время меняется.

При работе движителя, как правило, необходимо выполнение условия m•эд =const.

Масса рабочего тела в ресивере:

. (6.10)

При m•эд =const получаем:

(6.11)

Время цикла tцикла определяется следующим образом. Из технического задания известно общее время работы движительной установки. Электроклапан перед ресивером имеет гарантированное изготовителем число включений и выключений nвкл , которое, как правило, равно 10000. Учитывая это, получим:

(6.12)

Тогда определим величину ∆Мрес :

(6.13)

Выработка из ресивера рабочего тела α за один цикл составляет:

(6.14)

mirznanii.com

Проектирование плазменно-ионного двигателя

УДК 629.7.064.5

Инв. № _______

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

Кафедра двигунів та енергоустановок ЛА

Проектування плазмово-іонного двигуна

РОЗРАХУНКОВО - ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

до проекту за курсом «Основи теорії та функціонування плазмових прискорювачів і енергетичних установок»

ХАИ.441.06.КР.11.ПЗ.00.00

Виконала

студентка гр.xxxxxx

xxxxxxxx.

Консультант

xxxxxxxxxx.

Нормоконтроль

xxxxxx.

Харків 2006

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ. 2

РЕФЕРАТ. 4

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ.. 5

ВВЕДЕНИЕ. 11

Задание. 13

1 Расчет тяги ЭРД и определение его электрической мощности. 14

2 Разработка и описание теоретического чертежа размещения ЭРД на спутнике 17

3 Разработка функциональной схемы двигательного блока. Описание схемы.. 18

4 Инженерный расчёт ПИД.. 20

4.1 Принцип работы ПИД и схема его расчета. 20

4.2 Выбор рабочего тела для ПИД.. 21

4.3 Расчет параметров ионно-оптической системы.. 22

4.4 Расчет параметров газоразрядной камеры ПИД.. 27

4.5 Расчёт магнитного поля в ПИД.. 30

5 Разработка и описание теоретического чертежа двигателя. 37

6 Расчёт системы хранения и подачи рабочего тела. 39

6.1 Разработка и описание функциональной схемы системы хранения и подачи рабочего вещества. 39

6.2 Определение основных параметров бака для хранения рабочего вещества 40

6.3 Расчет проектных параметров ресивера. 43

6.4 Расчет проектных параметров термодросселя. 46

6.5 Расчет проектных параметров жиклера. 47

7 Описание функциональной схемы системы электропитания ПИД.. 49

8 Разработка и описание теоретического чертежа двигательного блока. 50

9 Разработка циклограммы энергопотребления. 51

Выводы.. 53

Перечень ссылок. 54

Приложение. 55

Страниц — 52, таблиц — 2, рисунков — 3.

Объектом разработки данного проекта является двигательная установка для стабилизации параметров орбиты космического аппарата, целевым направлением которого является наблюдение за поверхностью Земли.

Цель работы – спроектировать электрореактивную двигательную установку на базе плазменно-ионного движителя. В процессе разработки использовались рекомендованные методики.

Произведен расчет параметров и геометрических размеров плазменно-ионного движителя. Разработаны система хранения и подачи рабочего вещества (ксенона), описано функционирование двигательного блока. В соответствии с расчетами разработаны чертежи двигательного блока.

Космический аппарат, плазменно-ионный движитель, ионно-оптическая система, газоразрядная камера, магнитное поле, электрод, катод, ресивер, бак, потенциал ионизации, ускоряющее напряжение, эффективная площадь движителя, плотность тока, цена иона, тяга движителя, массовый расход рабочего тела, удельный импульс движителя, время работы движителя.

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/;

mirznanii.com

Ионный двигатель - Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Тип: Топливо: Страна: Использование: Время эксплуатации: Применение: Массогабаритныехарактеристики Рабочие характеристики Тяга: Потребляемая мощность: КПД: Скорость истечения:
Ионный двигатель NSTAR американской АМС Deep Space 1
электрический ракетный двигатель
ионизированный инертный газ
более 3 лет[1]
управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли; главный тяговый двигатель небольших автоматических космических станций[1]
20—250 мН[1]
1—7 кВт
60—80 %
20—50 км/с

Ионный двигатель — тип электрического ракетного двигателя, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле[1]. Технические характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1—7 кВт, скорость истечения ионов 20—50 км/с, тяга 20—250 мН, КПД 60—80 %, время непрерывной работы более трёх лет[1]. Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.), но иногда и ртуть. Достоинством этого типа двигателей является малый расход топлива и продолжительное время функционирования (максимальный срок непрерывной работы самых современных образцов ионных двигателей составляет более трёх лет)[1]. Недостатком ионного двигателя является ничтожная по сравнению с химическими двигателями тяга[1]. По сравнению с двигателями с ускорением в магнитном слое ионный двигатель обладает большим энергопотреблением при равном уровне тяги. Ионные двигатели используют повышенные напряжения, обладают более сложной схемой и конструкцией, что усложняет решение задачи обеспечения высокой надёжности и электрической прочности двигателя.[2]

Сфера применения: управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли (некоторые спутники оснащены десятками маломощных ионных двигателей) и использование в качестве главного тягового двигателя небольших автоматических космических станций[1].

Ионному двигателю в настоящее время принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе — Deep Space 1 смог увеличить скорость аппарата массой около 370 кг на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона[1]. Этот рекорд был побит космическим аппаратом Dawn: впервые - 5 июня 2010 года[3], а к сентябрю 2016 года набрана скорость уже в 39900 км/ч[4] (11,1 км/с).

История[ | ]

Впервые ионный двигатель появился в фантастике в 1910 году — в романе Дональда В. Хорнера «Аэроплан к солнцу: приключения авиатора и его друзей»[5][6]. Ионный двигатель широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе (так в звёздных войнах экономичный ионный двигатель развивает скорость до трети световой и используется для перемещения в обычном пространстве на небольшие по космическим меркам расстояния — например в пределах планетарной системы[7]), но для практической космонавтики стал доступен только во второй половине XX века. Реальный ионный двигатель по своим техническим характеристикам (и в первую очередь по силе тяги) значительно уступает своим литературным прообразам (так Эдгард Чуэйри образно сравнивает ионный двигатель с автомобилем, которому нужно двое суток для разгона с 0 до 100 км/ч)[1].

Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Концепция ионного двигателя была выдвинута в 1917 году Робертом Годдардом[8], а в 1954 году Эрнст Штулингер

encyclopaedia.bid