Конструкция и системы энергоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ,СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ………………………………………………………………………8

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………9

1. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КА И СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ…………………………………………………………10

1.1 Описание структурной схемы СЭС КА «Микроспутник»………………..10

1.2 Описание конструкции панели фотоэлектрической батареи……………..11

2. РАСЧЕТЫ…………………………………………………………………...12

2.1 Баллистический расчет…………………………………………………….12

2. 2 Разработка диаграммы энергопотребления ……………………………..12

2.3 Расчеты параметров солнечной батареи…………………………………13

2.3.1 Расчет фотоэлемента………………………………………………………13

2.3.2 Расчет вольт-амперных характеристик…………………………………17

2.4 Размеры солнечной батареи……………………………………………….18

3. РАЗРАБОТКА МЕХАНИЗМА РАСКРЫТИЯ И ФИКСАЦИИ БФ. РАСЧЕТ ПРУЖИННОГО ДВИГАТЕЛЯ МЕХАНИЗМА РАСКРЫТИЯ……………20

3.1. Расчет массовых характеристик панели………………………………….22

3.2. Определение параметров движения панели…………………………….24

3.3. Расчет параметров пружины………………………………………………25

4. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ………………………………………………….27

4.1. Расчет на изгиб панели фотоэлектрической батареи…………………..27

4.2. Расчет на прочность упора фиксатора…………………………………..28

5. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ…………………………………………………..30

6. ОПИСАНИЕ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ………………………….37

7. ОПИСАНИЕ ДЕТАЛИ……………………………………………………….38

8. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ……………………………………………………39

8.1 Рассмотрение проблемы в целом…………………………………………..39

8.2 Принцип действия………………………………………………………….40

8.3 Области применения………………………………………………………..43

8.4 Принцип действия и физическая модель процесса выработки ЭДС в рабочем элементе из SmS. Температурный профиль по толщине рабочего элемента, соответствующий максимуму ЭДС в установившемся режиме…45

8.5 Показатели устройства…………………………………………………….46

8.6 Зависимости тепловой эффективности (КПД) от массы и геометрических параметров рабочего элемента………………………………………………..48

8.7 Стоимостные характеристики SmS, физические свойства (уд. вес, теплопроводность, уд. эл. сопротивление, пластичность прочность, технологичность и т.д.)………………………………………………………..48

8.8 Конструкция устройства…………………………………………………..49

8.9 Перспективы исследования………………………………………………..49

9. STRUCTURE TECHNOLOGICAL ANALYSIS OF PART DRAWING….50

9.1 Definition of manufacturability efficiency……………………………………51

9.2 Blank manufacturing method……………………………………………….52

9. 3 Calculation of er for basic surfaces machining …………………………….52

9.4Development of the plan of manufacturing process…………………………54

9.4.1 Description of the structure of the manufacturing process ……..…………54

9.4.2 Selection of manufacturing datums. ………………………….…………54

9.5 Allowance and operational dimensions calculating……………………...55

9.5.1 Main definitions and terms……………………………………………….55

9.5.2 Algorithm of the normative method………………………………………56

9.6 Calculation of allowances and operational dimensions at face machining…...57

10. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ…………………………..60

10.1 Анализ опасных и вредных факторов производства в цехе механической обработки……………………………………………………………………….60

10.2 Мероприятия по снижению или устранению вредного и опасного влияния производственных факторов……….………………………………..63

10.3 Техногенная безопасность и анализ возможных чрезвычайных ситуаций………………………………………………………………………..66

10.4 Мероприятия по предупреждению чрезвычайных ситуаций…………67

11. РАСЧЁТ СЕБЕСТОИМОСТИ И ЦЕНЫ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛИ КРОНШТЕЙН…………………………………………………………………..69

11.1 Определение себестоимости изготовления кронштейна ………………69

11.2 Виды цен и порядок их определения ……………………………………72

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….73

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК………………………………………………………….74

ПЕРЕЧЕНЬ ДОКУМЕНТАЦИИ………………………………………………..75



ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

- эффективный размер плазмы, м;

ID - внутренний диаметр РК, м;

ОD- внешний диаметр РК, м;

Dу - габаритный размер движителя, м;

коэффициент ионной диффузии;

e - единичный заряд, Кл;

Ip- разрядный ток, А;

Iуд - удельный импульс, м/с;

- нормированная осевая пристеночная плотность;

- нормированная радиальная пристеночная плотность;

lk- длина ускорительного канала, м;

M- масса атома ксенона, кг;

, - массовый расход рабочего тела, кг/с;

Nи- кинетическая мощность потока ионов, Вт;

Np- разрядная мощность, Вт;

Nт- тяговая мощность, Вт;

F - тяга движителя, Н;

м/с

, м/с;

;

- отношение ионной к электронной температуре;

Up - разрядное напряжение, В;

i- осредненная длина свободного пробега ионов, м;

зт- тяговый КПД движителя;

ф - ресурс движителя, с;

ВЧИД - высокочастотный ионный двигатель;

БФ - батарея фотоэлектрическая;

БХ - батарея химическая; ДД - датчик давления;

ДН - датчик напряжения;

ДУ - двигательная установка;

ЗГ - заправочная горловина;

КА - космический аппарат;

КЛА - космический летательный аппарат;

КПД - коэффициент полезного действия;

КН - катод-нейтрализатор;

ПК - пироклапан;

Р - редуктор;

РК - разрядная камера;

РТ - рабочее тело;

СЭП - система электропитания;

СЭС - система электроснабжения;

СХПРТ - система хранения и подачи РТ;

СУ - система управления;

СУЛА - система управления летательным аппаратом;

ИЭЭ - источник электрической энергии;

ЭРД - электроракетный двигатель;

ЭРДУ - электроракетная двигательная установка;

Ф - фильтр;



ВВЕДЕНИЕ

Решение многих задач космонавтики связано с широким использованием космических электроракетных двигательных установок, исполнительными органами которых являются электрические ракетные двигатели.

Электроракетные движители (ЭРД) представляют собой класс устройств, в которых тяговое усилие получается в результате преобразования электрической энергии в кинетическую энергию выбрасываемой из них массы рабочего тела.

ЭРД открыли новое перспективное направление в космическом двигателестроении. Они отличаются от космических двигателей, работающих на химических топливах, более высокой экономичностью.

В качестве источника тяги в курсовом проекте используется высокочастотный ионный движитель. В ВЧИД используется принцип ускорения заряженных частиц статическим электрическим полем, на создание которого используется электрическая энергия. Источники этой энергии могут быть различны: ядерная энергоустановка космического корабля, фотоэлектрический преобразователь, термоэлектрический преобразователь или термоэмиссионный преобразователь.

Разделение источников энергии и рабочего вещества в ЭРД и использование электромагнитного ускорения позволяют увеличить удельный импульс (на один-два порядка), а также экономичность ЭРД. Это предопределяет области применимости ЭРДУ для космических летательных аппаратов с большими временами активного функционирования.

пружинный двигатель энергоснабжение



1 ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КА И ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Схема размещения показана на чертеже[ХАІ.441.10.БП.13.РД.02].

Спутник выполняет задачу мониторинга земной поверхности. Имеет двухосную ориентацию - 1 ось на Солнце, 2 ось на Землю.По условиям задания КА должен двигаться по круговой орбите на высоте h=600 км, и в любом месте орбиты продольная ось аппарата должна быть направленной по касательной к орбите. На спутнике установлено восемь двигателей, попарно на противоположных сторонах корпуса КА. ДУ расположены таким образом, что вектор создаваемой движителем тяги расположен на оси космического аппарата, проходящей через его центр масс. Движитель размещен таким образом, чтобы элементы КА не попадали в поток плазмы. Время функционирования составляет 1/4 от времени существования КА, т.е. tраб.=41.5* с. Двигательная установка состоит из 8 модулей движителей. ДУ включается 1 раз за оборот на 10 минут. Включаются двигатели, находящиеся в противоположных парах. Таким образом за 1 виток в течении 10 мин работают одновременно 2 двигателя.

На борту КА установлена измерительная аппаратура, позволяющая проводить исследование уровня радиации, измерять давление и температуру на соответствующей высоте.

1.1 Описание структурной схемы ЭРДУ

Структурная схема ЭРДУ представлена на чертеже [ХАІ.441.10.БП.13.ПЗ.04]

ИЭЭ является БФ. Полученная электроэнергия поступает в СПЭЭ для преобразования токов и напряжений до нужных величин. СУЛА отдает команды СУДУ в зависимости от поставленной задачи или команд с Земли. СУЛА имеет обратную связь, поэтому отдает команды, с учетом отзывов, полученных от СУДУ. СУДУ - это непосредственная система контроля за ДУ, которая имеет прямую связь с СПЭЭ, СХПРТ и ЭРД.

Контролируя каждый элемент по отдельности, и имея непосредственную обратную связь с СПЭЭ и СХПРТ, а с ЭРД через СПЭЭ, СУДУ может настроится на любой режим работы. СХПРТ имеет обратную связь со СПЭЭ. По команде СУДУ посредствам СПЭЭ в СХПРТ открываются и закрываются электроклапаны, контролируя давление в системе, а значит и расход РТ. Также, СПЭЭ контролирует разрядный ток и напряжение на ЭРД, следуя указаниям СУДУ.

1.2 Описание чертежа общего вида ДУ

Чертеж общего вида двигательной установки представлен на чертеже: [ХАІ.441.10.БП.13.ВО.06]

Задачей данной ДУ является ориентация КА напротяжении всего срока службы при заданной высоте орбиты. ДУ состоит из: системы хранения и подачи рабочего тела (СХПРТ), системы электропитания (СЭП), системы управления (СУ) и высокочастотных ионных движителей (ВЧИД). СХПРТ обеспечивает сохранение рабочего вещества в газообразном состоянии с момента заправки в течение всего срока хранения и эксплуатации ДУ в заданных условиях. Элементами СХПРТ являются: бак (1), заправочное устройство (2),датчик давления в баке(3), пироклапан (4),редуктор (7), электроклапан (6),фильтр(5) ресивер (9), датчик давления ресивера (8), датчик температуры ресивера(10), жиклер анода (13) и жиклер катода (12), регулятор расхода (термодросель)(11)

Бак включает в себя заправочное устройство (2), устройство подачи рабочего тела из бака(3) к остальным элементам СХПРТ.Заправочное устройство - устройство для заправки и слива рабочего вещества в баке. Пироклапан - устройство одноразового действия, выполняет функцию отсечения системы хранения от системы подачи до начала эксплуатации. На баке крепятся датчики давления и температуры. Датчик давления - прибор, контролирующий давление рабочего вещества в баке; датчик температуры - прибор, контролирующий температуру рабочего вещества в баке.

Расположение элементов СХПРТ выбирается с целью создания более компактной конструкции. С этой же целью выбираем сочетание форм: сферический бак и сферический ресивер. Такие формы позволяют максимально близко расположить ресивер по отношению к баку. Еще одним элементом двигательной установки являются высокочастотные ионные двигатели(14). ВЧИД - тип ионного двигателя, который использует электромагнитное поле, индуцированное токами высокой частоты в катушке для азимутального возбуждения свободных электронов. Первичное электрическое поле в катушке приводит к появлению осевого магнитного поля, которое в свою очередь, в соответствии с законом Максвелла, вызывает появление вторичного кольцевого электрического поля. Самоподдерживающаяся ионизация является следствием столкновений и энергетического обмена с нейтральными частицами. Конструкция ВЧИД включает следующие основные элементы: катод-нейтрализатор (43), анод-газораспределитель (1), ВЧ катушка (13), ускоряющий электрод (35), экранирующий электрод (36), рама крепления (20), нижний диск (14), верхний диск (15), корпус камеры ионизации, чехол (16).

В данной ДУ используется ВЧИД обладающий следующими характеристиками: создаваемая тяга - 0,00374 Н, срок службы - 41,5*105 с, удельный импульс - 28060 м/с, тяговый к.п.д. - 0,74.

1.3 Выбор и обоснование выбора материалов в ВЧИД

Большое значение для нормальной работы ВЧИД имеет правильный выбор материала на основе сравнительного анализа наиболее важных характеристик и свойств. Критерии выбора материала могут быть следующими:

температура плавления

теплопроводность

работа выхода поверхности

коэффициент распыления

эмиссионные свойства поверхности

механическая прочность

доступность

возможность механической обработки

стоимость

Материал сеток в ИОС должен обладать следующими свойствами:

- Высокой температурой плавления; электроды должны выдерживать свой вес и сохранять свою форму при повышенных температурах.

- Хорошей теплопроводностью, уменьшающий перепад температур по радиусу сетки, а следовательно и температурные напряжения, возникающие при этом.

- Максимальной работой выхода в присутствии паров конкретного рабочего тела, что уменьшает вероятность высоковольтного пробоя с последующим разрушением сеток.

- Хорошей технологичностью, что позволяет получить необходимую форму с минимальными затратами.

Наиболее подходящим материалом для ИОС будет молибден. Материалом для изготовления ГРК, катода и анода служит сталь Х18Н10Т. Они работают не в напряженных условиях. При их конструировании необходимо учитывать те вибрационные нагрузки, которые испытывает КЛА при старте.

Материалом для провода катушки служит медь, обладающая высокой электропроводностью. Можно выбрать алюминий, который обладает меньшей плотностью, чем медь, но он при том, же объеме потребляет большую мощность.



1.4 Выбор рабочего тела для ВЧИД

В расчёте данного движителя предпочтение отдаётся газообразным рабочим веществам, что связано с простотой СХПРТ, работающей на газообразном рабочем теле, и ее 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 сочетание 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.

Широкое применение в настоящее время получили ВЧИДы, работающие на инертных газах, таких как ксенон и аргон. Аргон значительно легче, чем ксенон. Но следует обратить внимание и на тот факт, что средний потенциал ионизации аргона намного выше, чем для ксенона, а значит, на ионизацию атомов ксенона затрачивается меньше энергии. Делая выводы из всего выше сказанного, рабочим телом для проектируемого движителя выбираем ксенон, который имеет малый потенциал ионизации (ц=12.13 эВ) при высокой молекулярной массе иона (mi=218•10-27 кг).

1.5 Описание сборочного чертежа СХПРТ

Помимо деталей, описанных в разделе 1.2 на чертеже сборки [ХАІ.441.10.БП.13.СБ.07], присутствуют: рама(19),силовое кольцо ресивера(20), входное и выходное устройство элементов СХПРТ(21),центральное кольцо бака(22) и тд.

Заправка бака осуществляется с помощью заправочного устройства, приваренного к баку. Данное устройство включает в себя: крышка(15),2 втулки(16 и 18),пружину(17). В другом месте в бак вварено устройство для подачи рабочего тела к элементам СХПРТ (устройство забора)(3), в первую очередь на пироклапан(4). Также к баку с помощью сварки крепится центральное кольцо(22), которое выполняет роль силового элемента. Все сварные соединения на баке выполняются аргонодуговой сваркой.

Центральное кольцо(22), к которому подсоединены две полусферы бака, одновременно является несущим силовым элементом двигательной установки, т.к. крепится к основной раме с помощью резьбовых соединений(26,25). Ресивер крепится к основной раме с помощью кольца(20) посредством резьбовых соединений(27) в двух местах. Выбор кольца в качестве крепежного элемента можно обосновать тем, что такая форма позволяет повысить надежность соединения. Кроме этого на поверхности кольца имеются выборки в местах, предназначенных для крепления ДУ к КА. Электроклапаны(6), фильтр(5), пироклапаны(4), жиклеры(12,13), термодроссели(11) крепятся к раме с помощью крепежных элементов, которые развальцовываются. РТ по всей системе подается с помощью системы трубопровов, материал (полимер) которого обеспечивает нормальную работу СХПРТ на протяжении всего срока работы [ ]. Для избежания растрескивания внутренний радиус изгиба трубок должен быть не менее 5мм. Сварка в местах соединения выполняется на универсальном электронагревателе ГЕП-2[ ]. Под расположение ДВ предусмотрены соответствующие отверстия [ХАІ.441.10.БП.13.СБ.07]. Для предотвращения перегрева бак и ресивер окрашиваются в белый цвет. Рама состоит из двух частей: нижней и верхней, что позволяет произвести сборку.Бак выполнен со скруглениями, т.к. такая форма способствует уменьшению массы ДУ, и является наиболее благоприятной для размещения элементов ДУ.



1.6 Описание энергоустановки

Энергоустановка состоит из фотоэлектрической батареи (1)[ХАІ.441.10.БП.13.РД.02 ], которая состоит из 2 крыльев и 4 панелей, аккумуляторной химической батареи, преобразователей энергии ЭУ.

В БФ осуществляется генерирование электрического тока путем преобразования энергии излучения солнца с помощью полупроводниковых фотоэлектрических элементов - преобразователей (ФЭПов). В ФЭП под воздействием квантов света возникает разность потенциалов между позитивной и негативной частями полупроводника, что обусловлено выбиванием фотонами некоторого количества свободных электронов.

Панели БФ с ФЭПами представляют собой весьма распространенный тип электрических установок. Их достоинства следующие: они просты по конструкции и в эксплуатации, эффективно преобразуют «даровую» солнечную энергию, имеют хорошие массовые характеристики. БФ состоит из кремниевых элементов, имеющих хорошую спектральную чувствительность к солнечному излучению и наибольшую удельную мощность. Панель состоит из сотового заполнителя.

1.7 Описание рабочего чертежа детали ДУ

Ускоряющий электрод представлен на чертеже [ХАІ.441.10.БП.13.РЧ.05]

Ионно-оптическая система в ВЧИД функционирует в напряженных условиях высоких температур. Этим обосновывается выбор материалов для изготовления деталей ИОС. Для ускоряющего электрода был взят молибден. Заготовка для изготовления детали - лист толщиной 0.6 мм. Для получения необходимой формы детали производится несколько операций, таких как гибка, сверление, развертывание, фрезерование[3]. Гибка выполняется на прессе. Фрезерование выполняется на горизонтально-фрезерном станке, фрезой из упрочненной и жаропрочной стали. Сверление отверстий производится с помощью лазерной установки.

Для обеспечения заданных предельных отклонений размеров все поверхности обрабатываются по 2 (черновая, чистовая обработка). Таким образом, достигается 9 и 7 квалитеты точности размеров[5].

Что касается отклонений от формы, необходимо контролировать соосность отверстий для крепления электрода с осью электрода и соосность отверстий ионно-оптической системы. Так же необходимо контролировать цилиндричность электрода.

Чистота поверхностей средняя -Rz 20.



2. РАСЧЕТЫ

2.1 Баллистический расчет

На основе заданных данных по ЭУ [ХАІ.441.10.БП.13.ЦП.01]:

Тип КА системы GPS:

Мка = 250 кг;

Фка = 5 лет;

Орбита - 600 км, круговая;

Ориентация - 2-х осная:

Ось1 - на Землю

Ось2 - на солнце;

I, мин	0-60	60-70	70-80	80-85	85-95
NЭЛ.i, Вт	650	350	450	350	2950

Находим полное время обращения спутника:

k - гравитационная константа Земли (k = 3,986•105 км3/с2),

а - радиус орбиты.

а = RЗ + h = 6400 + 600 = 7000 [км]. (2.2)

(с) =95 (мин). (2.3)

Находим время нахождения спутника в тени

, (2.4)



фт =1860(с) =30(мин).

фосв =ф - фт = 95 - 30 =65 (мин).

2.2 Расчет требуемых тяговых параметров ДУ

Для определения базовых характеристик движительной установки используем программное обеспечение ISSP [1]. Данное ПО было разработано в Швеции как инструмент для быстрой оценки характеристик ДУ.

Имея приращение скорости ?V=250 м/с(на 1 модуль ДУ) с помощью программы определяем скорость истечения рабочего вещества, предварительно задав характеристики РТ.

- молекулярная масса = 131.3*(кг/моль),

- характерестический фактор бака (),

- температура р.т. в баке = 293 (К),

- коэффициент сжимаемости Xe (0.30),

- общая удельная мощность (Вт/кг),

-общий КПД ДУ,

- Время работы модуля ДУ (с),

- скорость истечения РТ принимаем 30000 (м/с),

Определяем тягу за один цикл работы 1го модуля ДУ:

F =

(Н)

Отсюда тяга одного двигателя:

=0.007499/2=0.003749Н= 3,749 мН

2.3 Расчеты параметров двигателя

Принцип работы ВЧД

На рис.1 представлена схема двухсеточного ионного ВЧ двигателя. В отличие от обычных ионных двигателей, использующих электроны для ионизации рабочего тела, ионные ВЧ двигатели используют электромагнитное поле, индуцированное токами высокой частоты в катушке для азимутального возбуждения свободных электронов. В частности, первичное электрическое поле в катушке приводит к появлению осевого магнитного поля, которое в свою очередь, в соответствии с законом Максвелла , вызывает появление вторичного кольцевого электрического поля. Свободные электроны в разрядной камере возбуждаются и ускоряются в этом вторичном электрическом поле. Самоподдерживающаяся ионизация является тогда следствием столкновений и энергетического обмена с нейтральными частицами.[ ] В течение этого процесса индуктивность плазмы связана с индуктивностью катушки, вследствие чего такой двигатель еще называют индуктивно связанным ионным двигателем (ИСИД).

В качестве преимуществ ВЧ ионных двигателей следует отметить высокий ресурс, более 10000 часов, и высокую эффективность, более 80%. По сравнению с другой версией ВЧ ионных двигателей - ионных двигателей с электронными циклотронным резонансом (они работают в диапазоне ГГц), версия ВЧ двигателей - ИСИД имеет дополнительные преимущества, поскольку она позволяет использовать более низкие частоты - в диапазоне МГц.

Математическая модель расчетов ВЧД

Модель индукционно связанного разряда в плазме впервые была предложена Либерманом в 1994 году. В рамках этой модели предполагается, что плотность электронов является объемно-осредненной, а температура электронов - однородной. Используется также Максвелловское распределение для частиц.

Электронная температура определяется столкновениями электрон-нейтраль и сравнительно низка ( менее 5 эВ). Решение для электронной температуры может быть найдено из баланса частиц, когда задана геометрия камеры, температура стенок и плотность нейтралей. Баланс частиц определяется балансом скорости ионизации и диффузионной скоростью потерь :

, (1)

- частота ионизации. Правая часть уравнения описывает скорость частиц, теряемых в процессе диффузии, и определяется через некоторый характерный размер плазмы и скорость ионов, попадающих в оболочку.

Согласно критерию Бохма [ ], эта скорость равна скорости ионов, соответствующей электронной температуре (т.н. скорость Бохма):

(2)

Другое важное предположение - однократно заряженные ионы и нейтрали входят в тепловое равновесие со стенкой камеры в установившемся режиме.

Из условия квазинейтральности плазмы, предполагается однородный профиль плотности в области разряда, за исключением окрестности стенки, где плотности резко понижаются к некоторому значению пристеночной плотности .

Эффективный размер плазмы можно записать в следующем виде:

. (3)

И эффективную площадь теряемых частиц

, (4)

где - нормированная осевая пристеночная область, - радиальная пристеночная область.

В представлении Ли и Либермана:

-нормированная осевая пристеночная область

, (5)

- радиальная пристеночная область

, (6)

где - осредненная длина свободного пробега ионов

, (7)

- отношение электронной к ионной температуре :

, (8)

- коэффициент ионной диффузии:

. (9)

В выражении для коэффициента ионной диффузии (9), частота рассеивания (ион-нейтраль) может быть найдена как произведение осредненной тепловой скорости ионов на плотность нейтральных частиц и на сечение столкновения рассеивания ионов-нейтралей:

. (10)

Осредненная тепловая скорость ионов предполагается равной скорости нейтралей. Осредненные значения для скорости ионов и электронов могут быть получены из Максвелловского распределения для частиц

, . (11)

Осредненное сечение столкновения рассеивания ионов-нейтралей для Ксенона может быть получено с использованием формулы Банка

, (12)

где - относительная скорость между двумя частицами. В нашем случае однозаряженные ионы и нейтрали при упругих столкновениях. Относительная скорость может быть получена из осредненных скоростей ионов и нейтралей с приведенной массой при столкновениях:

. (13)

Частота ионизации выводится из определения скорости ионизации

, (14)

где - функция распределения электронов, с - модуль скорости, - сечение ионизации.

Поскольку электроны имеют Максвелловское распределение

, (15)

Значение интеграла (14), полученное интегрированием от первой ионизационной энергии до бесконечности относительно кинетической энергии дает нам:

. (16)

Таким образом, ионизационная частота может быть представлена как функция электронной температуры

. (17)

Данный метод решения для электронной температуры не так прост, как может показаться. Во-первых, не так просто установить плотность нейтральных частиц для регулируемых рабочих параметров (массовый расход или входная мощность), так как это будет зависеть и от ионизационной фракции. Дополнительная сложность заключается в том, что плотность нейтральных частиц не может быть замерена непосредственно в ионизационной камере, поскольку замер давления будет представлять собой полное давление:

. (18)

Глубина проникновения магнитного поля и поверхностные эффекты

В индукционно связанном плазменном (ИСП) разряде магнитное поле, создаваемое ВЧ катушкой не проникает полностью в плазму, за исключением случая с низкой частотой (<< 1 МГц) или сверхнизкого давления (<< 1 мТор). Однако ИСП разряд обычно не реализуется при этих условиях. Пространственная константа распада нормально падающей электромагнитной волны в плазме определяется «глубиной поверхностного слоя» плазмы. Термин «глубина поверхностного слоя» не означает отсутствие магнитного поля внутри его; он просто характеризует ослабление магнитного поля при таких высокочастотных осцилляциях. Поскольку ИСП разряд инициирует вторичное электрическое поле, ослабление магнитного поля непосредственно связано с недостаточной ионизацией в поверхностном слое.

Для ИСП разряда при высоком давлении и высокой плотности поверхностный эффект весьма силен и диссипация мощности происходит только в тонком кольце плазмы в окрестности стенки. Для ИСП ВЧ ионных двигателей, работающих при низких давлениях (1-10 мТор) поверхностные эффекты слабы и глубина поверхностного слоя обычно ограничена половиной внутреннего радиуса. В частности, размер поверхностного слоя имеет интуитивный смысл; он показывает баланс между стрежневой (внутренней) плазмой падающей электромагнитной волной ионизацией в поверхностном слое вследствие проникновения поля. Расчет глубины проникновения проводится, представляя стрежневую плазму как проводник с проводимостью:

, (19)

где - эффективная частота упругих столкновений. При низкой плотности плазмы, когда ионизационная фракция мала, эффективная частота упругих столкновений приблизительно равна частоте упругих столкновений электронов с нейтральными частицами

, (20)

где осредненная тепловая скорость электронов определена в (11). Осредненное сечение упругих столкновений электронов с нейтралями рассчитывается Максвелловским осреднением атомного поперечного сечения с соответствующей энергией электронов:

. (21)

С решением для диффузии магнитного поля, азимутальное индуцированное вторичное электрическое поле может быть легко рассчитано с помощью уравнения Максвелла:

(22)

Таким образом, решая данное уравнение для одномерного случая и используя функции Кельвина [2], мы получаем профили магнитного и индуцированного электрического поля для ИСП разряда (см. рис. ).

Баланс энергии

Помимо баланса частиц, баланс энергий является неотъемлемой частью ИСП разряда. Плотностьэлектронов, которая не фигурирует в уравнении для баланса частиц, может быть рассчитана из баланса энергии. Предполагая, что вся адсорбируемая энергия теряется на упругие и неупругие столкновения можно записать:

, (23)

где частота столкновений электрон-нейтраль; - скорость ионизации; - энергия, адсорбируемая плазмой, - эффективный объём разряда.

- параметр, в котором рассматривается энергия, расходуемая на ионизацию и возбуждение:

. (24)

Т.е. уравнение (22) позволяет рассчитать плотность электронов, если определены температура электронов и энергия.

Модель трансформатора ИСП разряда

Основная цель - рассчитать активную нагрузку .

В трансформаторной модели, описанной Либерманом, сопротивление плазмы связано с проводимостью и глубиной проникновения:

, (25)

где - эффективный периметр, - площадь поперечного сечения азимутального тока.

Самоиндукция плазмы состоит из геометрической индуктивности и индуктивности, возникающей вследствие инерции электронов:



, (26)

где - геометрическая индуктивность, - индуктивность, возникающая вследствие инерции электронов. Индуктивность катушки:

. (27)

Общая индуктивность (пренебрегая инерционной):

. (28)

C общей индуктивностью эффект плазменной нагрузки на первичную катушку может быть оценен, используя трансформаторное уравнение. Измененное сопротивление и индуктивность в первичной катушке имеют вид:

, (29)

. (30)

Поскольку плазменная нагрузка перенесена в первичную цепь, ток в катушке может быть вычислен из импеданса элементов цепи. Для катушки первичной цепи комплексный импеданс может быть представлен как:

. (31)

Для накопителя с емкостью С и эквивалентного последовательного сопротивления их импеданс записывается как:

. (32)



Среднеквадратическое напряжение источника рассчитывается поиском общего импеданса первичной цепи:

, (33)

, (34)

где - подводимая мощность, - фаза общего импеданса.

Среднеквадратическая мощность, адсорбируемая плазмой, может быть оценена расчетом активной нагрузки диссипации на сопротивление:

. (35)

Рабочие характеристики двигателя

ИСП ВЧ ионный двигатель использует электростатическое поле для ускорения ионов и создания тяги. Рассмотрим взаимосвязь между прилагаемым сеточным потенциалом и током экстрагируемых ионов. На рис.2 представлена упрощенная схема двухсеточной ускорительной системы. На рис.2 анодное напряжение смещения называют также сетевым потенциалом, поскольку электрическое поле, создаваемое этим потенциалом, определяет выходную скорость ионов. Роль ускоряющего напряжения смещения состоит в обеспечении отрицательного потенциала по отношению к катоду для предотвращения движения электронов через сетку. Сумму анодного и ускоряющего напряжения смещения часто называют «полным потенциалом» и он определяет итоговое ускорение ионов до того как они замедляются катодным потенциалом.

Плотность ионного тока можно записать:

, (36)

где - проницаемость свободного пространства, - межсеточное расстояние.

Расчет ускорительных характеристик

Имея плотность ионного тока, полный ионный поток и проницаемость сетки вычисляют используя:

, (37)

где - площадь экранирующей сетки, - плотность ионов в приэкранном слое. Полный ионный поток используется для вычисления эксплуатационной эффективности:

, (38)

где - полный поток нейтральных частиц достигающих сетки, который может быть выражен относительно тепловой скорости:

. (39)

Проницаемость сетки для нейтралей:

, (40)

где - физически открытая площадь экрана и ускоряющей сетки соответственно.

Эксплуатационная эффективность может быть использована для расчета массового расхода топлива, необходимого для обеспечения давления разряда:

. (41)

Тяга двигателя (Т) может быть вычислена с учетом вклада как ионов так и нейтральных частиц:

. (42)

Удельный импульс рассчитывается из уравнения:

, (43)

где - эффективная выходная скорость:

(44)

Расчет тяговой эффективности

Будем рассматривать 4 вида эффективности для ВЧ двигателя: предельная (максимальная) эффективность; электрическая эффективность; полная электрическая эффективность и связанная эффективность. Предельная (максимальная) эффективность вычисляется в предположении отсутствия потребляемой мощности элементами электрической цепи и идеальной связи между ВЧ источником и плазмой (100% мощности доставляется). Она представляет собой отношение мощности пучка ионов к сумме мощности пучка и адсорбируемой мощности:

, (45)

. (46)



Электрическую эффективность можно записать как:

, (47)

где цена иона

(48)

наиболее общий параметр, характеризующий двигательную эффективность (измеряется вВ или Вт/А). Величины меньше 400В обычно рассматриваются как удовлетворительные.

Полная электрическая эффективность вычисляется с учетом всех потерь в системе. Связанная эффективность определяется как процент от подводимой к плазме мощности. Например, максимальная электрическая эффективность (из эксперимента) не превышает 60%. Максимальная доставляемая плазме мощность находится в окрестности 50% от подводимой мощности. Для решения поставленной задачи и получения необходимых параметров двигателя используем программу, написанную в среде Matlab, в основе которой лежит алгоритм, представленный на рис.2.3.3. и рис. 2.3.4..(Математическая модель программы - Приложение 1).

Для определения необходимых параметров и характеристик двигателя необходимо задать его геометрические характеристики и ряд параметров.

К геометрическим параметрам относим:

внешний диаметр камеры - 33мм

внутренний диаметры камеры- 30мм

длина камеры - 30мм

длину катушки - 9.52мм

количество витков катушки - 2

емкостное сопротивление цепи - 30000е-12

диаметр отверстий в замедляющем электроде - 0.3мм

диаметр отверстий в ускоряющем электроде - 0.2мм

физическая прозрачность экранирующей сетки - 0.3791

физическая прозрачность ускоряющей сетки - 0.1685

расстояние между сетками - 0.3мм

толщина сетки - 0.2мм

количество отверстий в сетке - 3756

сопротивление катушки - 0.02 Ом

Входные параметры топлива(ксенон):

молекулярная масса - 131.3

первая энергия ионизации - 12.1

первая энергия возбуждения - 10.2

коэффициент ионизации поперечного сечения - 3.63е-34

Универсальные постоянные:

постоянная Планка - 2*р*1.05е-34

постонная Больцмана - 1.38е-23

масса электрона - 9.1е-31

магнитная проницаемость - 4*р*1е-7

диелектрическая проницаемость - 8.85е-12

В результате оптимизации мы остановились на следующих значениях:

Стандартный объемный расход - 1,4 см^3/с

температура стенки камеры ионизации - 400 К

подводимая мощность - 45 Вт

рабочая частота ВЧ генератора - 1,41 МГц

анодное напряжение смещение - 900 В

ускоряющее напряжение смещения - 600 В

Выходные параметры:

-свойства плазмы:

температура электрона - 4,34эВ

осредненная плотность электронов - 1,58* частиц/м^3

мощность, поглощенная внутри плазмы - 24.34W

отраженная энергия 97,6%

глубина скин-слоя - 3.75 мм

среднеквадратический ток в катушке - 11.67А

потери на стенках - 4.62е+018 частиц/с

полная плотность нейтралей - 2.57e+019 частиц/м^3

фракция ионизации - 0.0583

полное давление в камере - 9.34мТорр

-эксплуатационные характеристики:

ток пучка - 75.40 мА

прозрачность сетки - 0.64

полезная эффективность - 0.76

тяговая эффективностьт - 0.74

электрическая эффективность - 0.60

цена пучка ионов - 596.84 В

мощность пучка - 67.86 Вт

удельный импульс - 28060 м/с

тяга - 0.00374мН

2.4 Расчеты СХПРТ

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.

В рассматриваемом случае рабочим телом является газ ксенон (Хе). Систему 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 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, как правило, одноразового действия, отсекает систему хранения от системы подачи до начала эксплуатации.

Система дросселирования включает:

а) редуктор, 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) предохранительный клапан, поддерживающий предельно допустимое давление в ресивере.

Система регулирования рабочего вещества состоит из следующих элементов:

а) жиклёров, обеспечивающих заданные расходы в элементы движителя;

б) электроклапанов.



2.4.1 Описание функциональной схемы СХПРТ

Система хранения и подачи рабочего тела (СХПРТ), представленная на чертеже [ХАІ.441.10.БП.13.СХ.03] состоит из бака (Б), заправочного устройства (ЗУ), пироклапана (ПК), предохранительного клапана (ПрК), редуктора (Р), электроклапана (ЭК), ресивера (РС), жиклера (Ж), термодроселя (ТД).

В бак рабочее тело поступает через заправочное устройство. Рабочее тело хранится в газообразном виде. Состояние рабочего тела в баке контролирует датчик температуры (ДТ1) и датчик давления (ДД1) сигналы с которых поступают в систему управления (СУ), которая представляет собой блок, состоящий из различных датчиков, диодов, транзисторов и логических элементов. Рабочее тело из бака попадает в систему подачи через пироклапан, который пропускает рабочее тело в систему подачи. Далее рабочее тело через фильтр,электроклапан (ЭК) и редуктор поступает в ресивер. Редуктор понижает давление в системе подачи, а ресивер сглаживает пульсации и стабилизирует поток газа. Давление в ресивере контролируется датчиком давления (ДД2) и датчиком температуры (ДТ2). Затем осуществляется дозировка рабочего тела.

В двигатель рабочее тело поступает в газообразном состоянии. Здесь оно ионизуется и создаётся рабочая тяга.

Рассмотрим проектировочный расчет бака, входящего в состав СХПРТ.[ ]

2.4.2 Расчет проектных параметров ресивера

Ресивер выполняет задачу промежуточной емкости в магистрали подачи газа, в которой поддерживается давление рабочего тела на заданном определенном уровне. 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 Pресminзадается системой управления для обеспечения расхода рабочего тела с заданной точностью. Система управления задает работу СХПРТ таким образом, чтобы ДМрес/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:

, ( )

При m*эд=const получаем:

, ( )

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:

, ( )



с

Тогда определим величину ?Мрес:

, ( )

(кг)

Выработка из ресивера рабочего тела за один цикл б составляет:

, ( )

Как показывают экспериментальные исследования величина б, как правило, не должна превышать 3%. Примем максимальное значение б=0,03.

Тогда имеем:

, ( )

0.0037(кг)

Уравнение состояния газа в ресивере запишется следующим образом:

, ( )

Как правило, ресивер термостатирован, то есть Трес=const и равна 293 К. Давление в ресивере обычно составляет 2М105 Па.

Определим объем ресивера:

, ( )

м3

Для ресивера выбираем сферическую форму.

( )

Расчет на прочность стенки ресивера, как правило, не проводится. Как показывает опыт, толщина стенки 1 - 1,5 мм вполне удовлетворяет условиям эксплуатации ресивера и обеспечивает устойчивость его формы. Исходя из вышесказанного, выбираем толщину стенкиравной 1,2 мм.

2.4.3 Расчет жиклера

Перепад давления системы подачи происходит в жиклере, который представляет собой набор пластинчатых шайб с калиброванным отверстием. Между пластинами установлены шайбы-прокладки, которые образуют камеры. Таким образом, создается ступенчатое понижение давления по ходу газа.[3]

Максимально возможный массовый расход газа в жиклере определяется так:

, ( )

где S - приведенная площадь жиклера;

P0 - давление газа на входе в жиклер, Р0=800 Па;

T0 =400 К;

к - показатель изоинтропы, к=5/3;.

Данная формула описывает расходную характеристику жиклера в зависимости от свойств рабочего вещества и конструктивных особенностей блока жиклера.

Отсюда мы можем найти приведенную площадь жиклера:

, ( )

(м2).

Найдем площадь отверстия жиклера:

S0=S/м0, ( )

где м0 - коэффициент расхода, м0=0,67,

(м2).

Найдем радиус отверстия жиклера:

, ( )

(м).

2.4.4 Расчет термодросселя

Термодроссель - устройство, позволяющее регулировать массовый расход используя зависимость вязкости газа от температуры. С повышением температуры газа в термодросселе, расход газа через него уменьшается. В приведенной СХПРТ термодроссельустановлен после электроклапана и перед жиклерами. Термодросселирование газа осуществляется только для анода. Забор РТ для катода производится до термодросселя на нашей схеме. Источником тепла в данном термодросселе является омический разогрев капилляра, через который движется РТ, от пропускания по ней электрического тока. Капилляр выполняется из материала с большим сопротивлением и высокой температурой плавления.

Для расчета примем динамический коэффициент вязкости:

3.165*10-10 (кг/м*с)

и давления на входе и выходе, среднюю температуру и длину капилляра соответственно:

Для расчета также нужно найти среднее давление в капилляре и разницу давлений на входе и на выходе соответственно

( )

( )

Расчет сводится к определению проводящего диаметра капилляра:

( )

Итак, в результате проведенного расчета получили d=0.0038(мм).



3. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ

3.1 Расчет на прочность ИОС высокочастотного ионного движителя

Ресурс всей плазменной установки определяется надежностью и прочностью различных систем: электропитания, запуска и автоматики, систем подачи и хранения рабочего тела, вспомогательных систем и собственно ускорителя плазмы или технологического плазменного устройства и равен меньшему из ресурсов систем, если не используется резервирование наименее надежных систем.

Ресурс непосредственно плазменного ускорителя или технологического плазменного устройства зависит от стойкости изоляторов, электродов и других вспомогательных элементов. Не последнюю роль здесь играют и температурные напряжения, возникающие в электродах.

Расчет электродов ионно-оптической системы на прочность состоит из двух частей. В первой части находится напряженное и деформированное состояние электрода, вызванное его неравномерным по радиусу нагревом. Во второй анализируются условия, обеспечивающие сохранение электродом первоначальной формы при нагревании и длительной работе. Рассмотрим первую задачу.

Схема электрода показана на рис. 1. Электрод состоит из перфорированной пластины, являющейся собственно электродом, и силового кольца, которым электрод крепится к электрододержателю. На рисунке показана эпюра температур электрода при установившейся работе ускорителя. Неравномерный нагрев электрода вызывает температурные напряжения. Как видно из рисунка, температура средней части выше, чем периферийной, что может привести к выпучиванию электрода.

Исходные данные для расчета:

Коэффициент линейного расширения материала электрода и кольца(Мо),

;

Модуль упругости материала электрода и кольца для данного изменения температур,

;

Коэффициент Пуассона ;

Градиент температур по радиусу сетки , где t0=500

Радиус сетки электрода, b=20мм;

Радиус кольца c=23.5мм;