Проектирование плазменно-ионного двигателя (стр. 3 из 10)
- 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 |  |
1 Расчет тяги ЭРД и определение его электрической мощности
Определим скорость КА на заданной орбите по формуле:
(км/с);где k – гравитационный параметр Земли;
R - средний радиус Земли 6371 км;
h - высота орбиты 400 км.
Движение космического аппарата зависит от возмущающих сил, которые постепенно изменяют элементы орбиты. В первую очередь на орбиту влияют несферичность орбиты Земли и неравномерность распределения масс на ее поверхности и в недрах. Возмущения орбиты возникают также из-за сопротивления земной атмосферы, притяжения других небесных тел, давление солнечного света. Главные возмущения спутниковых орбит вызваны несферичностью Земли и сопротивлением атмосферы.
Включение бортовой двигательной установки на базе ЭРД позволяет компенсировать эти возмущения. При определении тяги ЭРД можно предположить, что для поддержания КА на заданной круговой орбите ЭРД должен компенсировать потерю скорости аппарата, вызванную только сопротивлением, оказываемым атмосферой на заданной орбите:
(1.1)Sэфф — площадь поперечного сечения аппарата;
Сx=1..2 — коэффициент аэродинамического сопротивления;
ρb=1,57·10-11— плотность атмосферы на орбите h=400км.
Для начального расчета эффективную площадь можно определить из следующего выражения:
(1.2)Для выполнения своей задачи ЭРД включается периодически и время его работы составляет 10% от времени функционирования КА на орбите. Тяга ЭРД должна быть увеличена во столько раз, сколько уменьшено время работы двигателя.
РЭРД=
Удельный импульс определим из выражения:
(1.3) 
=0.7 - КПД электроракетного двигателя;Вычисляем потребную электрическую мощность ЭРД:
(1.4)По полученному значению удельного импульса
определяем тип ЭРД. Принимаем в качестве электрореактивного движителя ПИД.Для обеспечения работы ПИД в течение необходимого времени ЭРДУ должна включать в себя запас рабочего тела. Для того чтобы определить этот запас, необходимо знать расход рабочего тела через движитель. Частично ответ на этот вопрос может дать величина ионного тока. Однако не весь расход, превращаясь в ионы, покидает движитель в виде ионной струи. Часть нейтральных атомов рабочего тела не ионизируется в ГРК и проходит через электроды ИОС. Величиной, характеризующей степень совершенства использования рабочего тела, является hм, или коэффициент использования рабочего тела. Реально достигнутый диапазон hм лежит в пределах 0,8¸0,9. Выбрав оптимальную величину hм, определим реальный секундный расход рабочего тела. Для этого сделаем пересчет скорости истечения рабочего вещества из ПИДа:
м/с (1.5)(1.6)
m•эд- реальный секундный расход рабочего тела.
Зная ресурс работы ЭРДУ, найдем общий запас рабочего тела:
(1.6)где kрт- коэффициент, учитывающий потерю рабочего тела при хранении (kрт~1,01÷1,05), принимаем равным 1,03.
Расчеты проведены по методическому пособию [1].
2 Разработка и описание теоретического чертежа размещения ЭРД на спутнике
На чертеже (ХАИ.06.441п.11.ТЧ.02.) приведен спроектированный космический аппарат (1). Фотоэлектрическая батарея (2) ориентирована и представляет собой 2 панели, в любом положении КА солнечные батареи обеспечивают потребную мощность. Космический аппарат предназначен для дистанционного зондирования Земли.
Двигательная установка (3) расположена таким образом, что вектор тяги проходит через центр масс аппарата, и лежит на одной прямой с вектором направления движения. По условиям задания КА должен двигаться по круговой орбите на высоте h=400км, и в любом месте орбиты продольная ось аппарата должна быть направленной на землю. Время функционирования составляет 10 процентов от времени существования КА, т.е.
. Для выполнения данной задачи, недостаточно применения одного движителя, поэтому решено установить на КА два движителя, работающих посменно. После того как первый ПИД отработает свой ресурс, необходимо будет повернуть КА в пространстве так, чтобы вектор тяги резервного ПИДа проходил через центр масс КА и лежал на оси направления движения. На борту КА установлена измерительная аппаратура, позволяющая проводить исследование уровня радиации, зондировать поверхность Земли, измерять давление и температуру на соответствующей высоте.3 Разработка функциональной схемы двигательного блока. Описание схемы
Функциональная схема (ХАИ.06.441.11.СГ.03.) дает подробное представление о работе двигательной установки и представляет собой совокупность функциональных элементов соединенных между собой. На данной схеме представлены прямые и обратные связи, по которым происходит обмен информацией между элементами.