Проектирование плазменно-ионного двигателя (стр. 4 из 10)
На функциональной схеме представлены следующие элементы
1. Система управления (СУ);
1. Энергоустановка КА;
2. Система управления двигательной установкой (СУДУ);
3. Система электропитания (СЭП);
4. СХПРТ;
5. Двигательный блок (ДБ).
Система управления имеет связи почти со всеми элементами схемы. Это объясняется тем, что она играет главенствующую роль в работе движителя – координирует работу других систем.
Энергоустановка снабжает энергией все элементы движительного блока. Она не является объектом разработки в данной курсовой работе, но без нее работа движителя невозможна. Она имеет прямые и обратные связи с системой управления.
Система хранения и подачи рабочего тела обеспечивает хранение рабочего тела (в нашем случае это ксенон) во время полета, а также дальнейшую его подачу в ДБ через сложную систему датчиков, которые четко регулируют как количество, так и давление рабочего тела в трубопроводе, клапанов, которые используют для своевременной подачи или отключения подачи рабочего тела в полость трубопровода или на его выходе и т.д.
ДБ на структурной схеме состоит из ДБ1 и ДБ2, так как это необходимо для повышения надежности. ДБ является потребителем электроэнергии и рабочего тела.
4 Инженерный расчёт ПИД
4.1 Принцип работы ПИД и схема его расчета
Для проведения инженерного расчёта ПИД необходимо изучить механизм, определяющий его работу и конструктивные особенности. Рисунок 4.1 иллюстрирует процессы, включающие в себя рождение и ускорение ионов. Электроны, эмитируемые катодом, ускоряются электрическим полем (возникающим благодаря напряжению, приложенному к разряду) и соударяются с нейтральными частицами рабочего вещества, ионизируя его. В результате таких столкновений образуются ионы и электроны. Ионы под действием электростатических полей движутся к ИОС, а электроны к аноду. Для увеличения времени жизни электронов, в ГРК движителя создают магнитные поля осевой, радиальной или пристеночной конфигурации. Степень ионизации зависит от энергии электронов и их концентрации в рабочем объёме ГРК, а также от концентрации рабочего вещества. Концентрация рабочего вещества зависит от тяги движителя, которую необходимо обеспечить, и является функцией массового расхода, энергия электронов зависит от тока и напряжения катода.
Рисунок 4.1 Схема столкновений в ГРК ПИД.
На рисунке 4.1 чёрными точками обозначены первичные электроны, которые при столкновении с нейтральными атомами (обозначенные буквой n в кружочке) образуют пару электрон-ион. Под действием электростатических сил электроны движутся к аноду, а ионы к ИОС. Столкновения электронов с нейтральными частицами рабочего тела приводит к появлению вторичных электронов и перераспределению между ними энергии. В ПИД первичные и вторичные электроны находятся совместно. Хотя концентрация первичных электронов мала (меньше 10% суммарной концентрации электронов), приблизительно половина всех актов ионизации происходит обычно при их участии.
Ионизация атомов рабочего тела происходит из возбуждённого состояния, реже из метастабильных состояний. Движение ионов в ГРК определяется главным образом потенциалом плазмы. При этом магнитное поле имеет небольшое влияние на направление движения ионов, поскольку величина ларморовского радиуса ионов как минимум на порядок превышает характерный размер движителя.
Ион-ионные столкновения слабо влияют на общее направление движения ионов, т.к. ионы ускоряются в основном в направлении градиента потенциала плазмы, а, следовательно, все ионы в заданной точке двигаются в одном общем направлении. Следовательно, ион-ионные столкновения должны мало влиять на движение потока ионов.
Часть ионов, которая движится к ускоряющим электродам, пересекает плазменный слой около экранирующего электрода и, ускоряясь напряжением в несколько киловольт, покидает электроды ИОС систему ПИД, создавая тягу движителя.
4.2 Выбор рабочего тела для ПИД
На первичном этапе разработки ПИД в качестве рабочих тел использовали металлы. Их выбор был связан в основном с самими ускорителями, а не определялся всей проблемой КЛА в целом. Металлы предпочтительны из-за своего большого атомного веса, высокой плотности рабочего тела, а в случае цезия – из-за низкого потенциала ионизации. Однако, при использование металлических рабочих тел возникает проблема их конденсации на КА, а в случае применения больших космических ЭРДУ существенным является и цена рабочего тела. В связи с этим появляется интерес к газообразным рабочим телам. При выборе рабочего тела необходимо принимать во внимание весь комплекс требований предъявляемых к рабочему веществу. Не одно рабочее тело не обладает такими свойствами, которые одновременно удовлетворяли бы всем предъявляемым к нему требованиям. Поэтому при выборе рабочего тела следует классификацию требований по их значимости для проектируемого движителя, которые определяются конструктором.
В расчёте данного движителя предпочтение отдаётся газообразным рабочим веществам, что связано с простотой СХПРТ, работающем на газообразном рабочем теле, и его малой массой, а также высокой надёжностью ЭРДУ в целом. При выборе рабочего тела необходимо учитывать его удельные и энергетические характеристики. Желательно использовать такие вещества, у которых низкий потенциал ионизации в сочетании с большой молекулярной массой. Низкий потенциал ионизации определяет минимальные затраты энергии подводимой на катод для ионизации рабочего вещества. Масса иона рабочего тела определяет тяговые характеристики движителя, а также объём рабочего вещества, который необходимо запасти для функционирования движителя в течение заданного промежутка времени.
Из всех газообразных веществ, используемых в качестве рабочего тела для ЭРД, в данном проекте выбирается инертный газ ксенон, который имеет малый потенциал ионизации при высокой молекулярной массе иона.
4.3 Расчет параметров ионно-оптической системы
Скорость истечения рабочего тела для ионного движителя равна (для однократно заряженных ионов):
 |
(4.1)
где е – заряд электрона (1,6∙10-19 Кл);
mi– масса иона ( для ксенона
);Uуск – напряжение между электродами ионно-оптической системы, В.
Но так как ν известно из формулы (1.5), то из формулы (4.1) определяем необходимое ускоряющее напряжение:
(4.2) 
Выражение для тяги ионного движителя с однократно заряженными ионами запишем так:(4.3)
где PЭРД – тяга ПИД, Н;
Ii – ток ионного пучка, А.
Из выражения (4.3) можем определить ток ионного пучка Ii, необходимый при заданном напряжении U для получения тяги R:(4.4)
Ионно-оптическая система является одним из основных узлов, определяющих работу плазменно-ионного движителя. Точные расчеты, проектирование и изготовление ее электродов увеличивает тяговый КПД движителя и его ресурс.
При расчете и проектировании ионно-оптических систем необходимо учитывать закономерности интенсивных ионных течений в стационарных электрических полях в условиях вакуума. Мерой интенсивности течений является его первеанс Р, определяемый как отношение тока пучка Ii к ускоряющему напряжению U в степени три вторых:
(4.5)Плотность тока для случая одномерного течения однозарядных ионов между плоскими параллельными электродами записывается следующим образом:
 |
(4.6)
где j – плотность тока в ПИД, А/м2;
εо – электрическая постоянная, равная 8,85∙10-12 Ф∙м-1;
d – расстояние между электродами ИОС, м;
δэкр – толщина экранного электрода, м;
δуск – толщина ускоряющего электрода, м;
е – заряд электрона, Кл;
mi– масса иона, кг.
Принимаем δэкр=1∙10-3 м, δуск=1.5∙10-3 м [1].
Выбор расстояния между электродами d зависит от нескольких факторов: во-первых, так как к электродам ИОС приложены различные потенциалы, то действует электростатическая сила схлопывания; во-вторых, неравномерные тепловые потоки вызывают температурные напряжения в сетках, которые приводят к их деформации (в результате этого локальное изменение зазора может быть очень большим); в-третьих, так как между электродами ИОС приложено высокое напряжение, то уменьшение зазора может привести к нарушению диэлектрической прочности и, как следствие, к высоковольтному пробою, что нарушает работу движителя и может вывести его из строя. Примем допускаемую напряженность электрического поля равной Еmax=106 В/м. Таким образом, зная напряжение между электродами ИОС и выбрав допустимую величину Еmax, можем определить зазор между электродами: