Ионно-плазменные двигатели с высокочастотной безэлектродной ионизацией рабочего тела

                      Министерство образования Украины


                 Государственный аэрокосмический университет


                            имени Н.Е. Жуковского

                     «Харьковский авиационный институт»



                                 Кафедра 402


                                   РЕФЕРАТ
    на тему :    Ионно-плазменные двигатели с высокочастотной
                 безэлектродной ионизацией рабочего тела



                                  Выполнил :
                                  ________     Юрченко С.А.
                                 1999-03-03



                               Харьков 1999 г.

                                 Содержание

                                                                 лист

|Введение                                                        |3     |
|1. Сравнительный анализ ЭРДУ                                    |6     |
|1.1 Применение ЭРД                                              |7     |
|1.2 Применение РИД                                              |9     |
|1.3 Общие преимущества РИД                                      |9     |
|1.4 Радиочастотный ионный движитель РИД-10                      |10    |
|1.5 Радиочастотный ионный движитель РИД-26                      |11    |
|1.6 Радиочастотный двигатель с магнитным полем (РМД)            |11    |
|2 Разработка численной модели электроракетного двигателя с ВЧ   |13    |
|нагревом рабочего тела                                          |      |
|2.1 Математический аппарат численной модели                     |13    |
|термогазодинамических процессов, имеющих место в камере и       |      |
|сопловом аппарате ракетного двигателя                           |      |
|2.2 Термодинамические процессы, протекающие в камере            |16    |
|электронагревного движителя                                     |      |
|Заключение                                                      |20    |
|Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и   |22    |
|терминов                                                        |      |
|Список используемых источников информации                       |23    |


                                  Введение

        Как   было   показано    последними    исследованиями,    энергетика
(энергообеспечение)  космических аппаратов с ресурсом 1-20 лет всегда  будет
первостепенной  проблемой.  Двигатели  малых   тяг,   которые   осуществляют
коррекцию и стабилизацию таких космических  аппаратов,  обладают  некоторыми
особенностями,   например,   длительным   ресурсом,   высокой   надежностью,
оптимальной «ценой» тяги (отношение энергетических затрат к  единице  тяги).
Для  обеспечения  долгосрочного  ресурса  необходимо  уменьшить  температуру
конструктивных   элементов   плазменных   движителей,   плазма   не   должна
взаимодействовать с элементами конструкции. В основном  скорость  истекающей
плазмы   (характеристическая   скорость)   определяет   удельный     импульс
движителя. Чем больше значение характеристической  скорости,  тем  больше  и
удельный  импульс. Для осуществления длительных работ (программ)  в  космосе
необходимо иметь надежные, высокоэффективные  электроракетные  двигатели  со
скоростями истечения плазмы 103-105 м/с и более.
      Мы получили следующие результаты:  при  скоростях  истечения  рабочего
тела 1000-9000 м/с  термоэлектрические  движители  работают  надежно,   а  в
настоящее время создаются движители со скоростями  истечения  рабочего  тела
2000-20000 м/с.
      Использование электродуговых  плазменных  движителей  для  этих  целей
продемонстрировало, что в  данном  диапазоне  скоростей  негативные  явления
наблюдаются лишь вследствие эксплуатации движителя больше заданного  времени
ресурса.
      Повышение температуры плазмы  в  движителях  такого  типа  приводят  к
повышению удельного импульса. Но почти 50% электрической энергии  подводимой
к электродам, превращается в тепло  и  не  участвует  в  повышении  скорости
плазменного пучка,  а  электроды  испаряются  (уменьшаются),  что  уменьшает
ресурс движителя.
      В нашем университете многие годы ведется  детальная  разработка  таких
движителей.  Сравнение  современных   достижений   по   типовым   движителям
приведено в таблице 1.
      Одним  из  современных  направлений  развития  плазменных  ускорителей
является  разработка  двигателей   малых   тяг,   работающих   на   принципе
безэлектродного создания электромагнитной силы в форме  ВЧ-  и  СВЧ-полей  в
плазменном  объеме,  удержании  плазмы  и  ее  ускорении  в  магнитном  поле
заданной формы. В этом  случае  предлагается  концепция  термоэлектрического
движителя с высокочастотным нагревом рабочего тела, такого как водород.  Это
позволяет   существенно  уменьшить   взаимодействие   плазмы   на   элементы
плазменного  ускорителя,  исключить   потери   энергии   на   электродах   и
использование магнитного сопла  значительно  повысят  КПД  движителя.  Таким
образом, преимущества этого типа  движителей  очевидны.  Они  заключаются  в
следующем:
      - высокий КПД (0,4 – 0,5);
      - длительный ресурс работы на борту (до 2-х лет);
      - высокая надежность и безопасность;
      - использование экологически чистого топлива;
      - такие движители обеспечивают характеристическую скорость в
        требуемом диапазоне скоростей истечения, которую движители других
        типов не могут обеспечить;
      - массовые характеристики, «цена» тяги и стоимость сборки не
        превышают существующих.
      Это может  стать  возможным,  если  мы  будем  использовать  некоторые
достижения современной технологии и учтем некоторые нюансы:
     1) Из всех рабочих тел водород обладает минимальной атомной массой, то
        есть скорость истечения водородной плазмы  из  ВЧ-ускорителя  будет
        максимальной.
     2) Водород – экологически чистое рабочее вещество и необходимость его
        использования несомненна.
     3) Сейчас  у  нас  есть  технология  безопасного  хранения  связанного
        водорода  в  виде   гибридов   металлов   на   борту   космического
        летательного аппарата. Это увеличивает КПД   движителя  и  повышает
        эффективность работы системы в целом.
     4) Известно, что при ионизации водорода в  любом  типе  электрического
        разряда потери при передачи энергии  от  электронной  компоненты  к
        ионной минимальны из-за минимальных массовых различий и потому, что
        для атомов водорода возможна лишь однократная ионизация.
      В  таблице  1  приведены  основные  характеристики  ионных  двигателей
разрабатываемых и применяемых в Европе в настоящее время.

                                                                   Таблица 1
|№   |Характеристики движителя                                                                          |
|п.п |                                                                                                  |
|    |Тип движителя|Рабоче|Характер|Характеристи|Цена   |КПД, %|Особенности,        |Примечание     |
|    |             |е тело|истическ|ческая      |тяги,  |      |ограничивающие      |               |
|    |             |      |ая тяга,|скорость,   |Вт/г   |      |ресурс              |               |
|    |             |      |г       |м/с         |       |      |                    |               |
|1   |Стационарный |Ксенон|1…5     |18000…      |(150   |30…50 |Ресурс катода       |               |
|    |плазменный   |      |        |25000       |       |      |компенсатора и      |               |
|    |движитель    |(газ) |        |            |       |      |керамических        |               |
|    |(СПД)        |      |        |            |       |      |изоляторов          |               |
|2   |Движитель с  |Газ,  |1…3     |25000…      |(200   |30…45 |Ресурс катода       |               |
|    |анодным слоем|жидкий|        |35000       |       |      |компенсатора, ресурс|               |
|    |(ДАС)        |металл|        |            |       |      |электродов          |               |
|3   |Плазменный   |Газ,  |1…10 и  |30000…      |(300   |30…45 |Ресурс катода       |Увеличение тяги|
|    |ионный       |жидкий|более   |100000      |       |      |компенсатора и      |приводит к     |
|    |движитель    |металл|        |            |       |      |ионно-оптической    |увеличению     |
|    |(ПИД)        |      |        |            |       |      |системы             |размеров       |
|4   |Торцевой     |Газ,  |1…3     |25000…      |(300   |25…40 |Электроды и катодный|Увеличение тяги|
|    |холовский    |жидкий|        |35000       |       |      |узел                |пропорционально|
|    |движитель    |металл|        |            |       |      |                    |уменьшению     |
|    |(ТХД)        |      |        |            |       |      |                    |ресурса        |
|5   |Электро-нагре|Газ   |1…5     |1000…       |50…150 |20…30 |Нагреватель         |               |
|    |вный         |      |        |4000        |       |      |                    |               |
|    |движитель    |      |        |            |       |      |                    |               |
|    |(ЭНД)        |      |        |            |       |      |                    |               |
|6   |ВЧ-движитель |Газ   |1…10    |3000…       |30…100 |40…50 |Отсутствуют         |               |
|    |             |      |        |15000       |       |      |                    |               |


                          Сравнительный анализ ЭРДУ

      Применение ионных плазменных двигателей малой тяги на  геостационарных
спутниках  имеет  следующие  преимущества:   уменьшение   стартовой   массы,
увеличение массы полезного груза и ресурса спутника.
      Сравнение ЭНД, СПД и РИД, используемых в системе стабилизации Север  –
Юг, проведено на рисунке 1 и рисунке 2.

[pic]
 Рисунок 1,2. Стартовая масса спутника и зависимость сухой массы спутника от
                 применяемой на нем двигательной установки.
      Как показано на рисунке 1, стартовая масса спутника, включающая в
себя сухую массу спутника (без массы ЭРДУ), составит:
      4050 кг при использовании ЭНД;
      3900 кг – СПД;
      3670 кг – РИД.
      Это означает, что  стартовая  масса  спутника  при  использовании  РИД
вместо электродугового двигателя  или  СПД  уменьшается  на  380  и  230  кг
соответственно. Уменьшение массы приводит к снижению стоимости запуска.
      На рис. 2 показана зависимость сухой массы спутника от массы
применяемой на нем двигательной установки (стартовая масса – 4050 кг):
      2090 кг при использовании ЭНД;
      2170 кг – СПД;
      2310 кг – РИД.
      Масса полезного груза может быть увеличена при использовании РИД:
      на 220 кг по сравнению с ЭНД;
      на 140 кг – с СПД.
      Оба  преимущества:  уменьшение  стартовой  массы  и  увеличение  массы
полезного груза, - приводят к уменьшению стоимости спутника.
      РИД с диаметром ионизатора 10 см и тягой 10 мН был запущен на  EURECA.
Сейчас такой же двигатель,  но  с  тягой  15  мН  проходит  квалификационные
испытания для использования его  на  экспериментальном  спутнике  связи  ESA
Artemis.  Его  вывод  на   орбиту   планируется   в   2000   году   японским
ракетоносителем Н-2. Коммерческая версия этого  двигателя  сможет  создавать
тягу на уровне 25 мН.
      РИД с диаметром ионизатора 15 см и тягой 50 мН  сейчас  исследуется  в
Гессенском университете.
      РИД 26 с  тягой  до  200  мН  разрабатывают   в  Dasa/ESA  Technology.
Планируется его использование в качестве основного движителя.

1 Применение ЭРД

Основные задачи, выполняемые с помощью РД, на геостационарных спутниках:
      - переход на более высокую орбиту            1500 м/с за маневр;
      - системы стабилизации Север – Юг      47 м/с в год;
      - системы стабилизации Запад – Восток