Двигательная установка для коррекции орбиты космического аппарата

Содержание

Перечень условных обозначений, символов, сокращений и терминов

Введение

1. Определение оптимальной скорости истечения рабочего вещества и подбор двигателя

2. Разработка и описание теоретического черчения расположения ЭРД на летательном аппарате

3. Разработка функциональной схемы движительного блока. описание схемы

4. Расчёт тяговых параметров ЭРДУ

4.1 Определение основных размеров движителя [1]

4.2 Определение тяговой мощности СПД и кинетической мощности струи

4.3 Определение разности потенциалов, ускоряющей ионы

4.4 Расчёт разрядного напряжения, разрядного тока и разрядной мощности

4.5 Расчёт КПД и ресурса движителя

5. Расчёт физических и геометрических параметров двигателя

6. Разработка и описание теоретического чертежа двигателя

7. Расчёт проектных параметров элементов системы хранфения и подачи рабочего тела

7.1 Расчёт геометрических параметров бака

7.2 Расчёт геометрических параметров ресивера

7.3 Расчет термодросселя

7.4 Расчет геометрических параметров электроклапана

9. Разработка и описание теоретического чертежа двигательного блока

10. Разработка алгоритма стабилизации тяги или потребляемого импульса

11. Описание функционирования движительного блока

Заключение

Перечень условных обозначений, символов, сокращений и терминов

B-индукция магнитного поля, (Тл);

b_{k -} ширина ускоряющего канала, (м);

D-средний диаметр движителя, (м);

D_в - внутренний диаметр ускоряющего канала, (м);

D_н - наружный диаметр ускоряющего канала, (м);

d - диаметр бака, (м);

e - заряд электрона ( Кл);

F - тяга ЭРД (Н);

h - орбита космического аппарата круговая, (км);

k - постоянная Стефана-Больцмана, (Дж/К);

l_{k -} длина ускоряющего канала, (м);

Nэл - электрическая мощность ЭРД (Вт);

R-универсальная газовая постоянная, (Дж/ (моль×К));

-время функционирования двигательной установки, (с);

V-объем бака, (м);

-совершенство движительного блока, ;

-молярная масса, (кг/моль);

d_{к -} толщина ускоряющего канала, (м);

d_{min -} минимальная толщина бака, (м);

-тяговый КПД;

t _{КА -} время существования космического аппарата, (с);

j_I-потенциал ионизации рабочего тела, (В);

РК - разрядная камера;

ДУ - двигательная установка;

ИСЗ - искусственный спутник Земли;

КА - космический аппарат;

РВ - рабочее вещество;

СПД - стационарный пламенный движитель;

СУ - система управления;

СХПРТ - система хранения и подачи рабочего тела;

СЭ - система электропитания;

ЭРД - электроракетный движитель;

ЭРДУ - электроракетная двигательная установка;

Введение

Решение многих задач космонавтики в ближайшем будущем связано с широким использованием космических электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ).

ЭРД открыли новое направление в космическом двигателестроении. Они отличаются от существующих космических двигателей, работающих на химических топливах, более высокой экономичностью, но одновременно значительно меньшей тяговооружённостью. В ЭРД используется принцип ускорения заряженных частиц электромагнитным полем, на создание которого расходуется электрическая энергия. Удельные массы современных космических энергоустановок достаточно велики, поэтому отношение силы тяги к массе космического корабля оказывается невысоким. Вместе с тем разделение источников энергии и рабочего вещества в ЭРД и использование электромагнитного ускорения 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).

Можно выделить следующие преимущества СПД:

1. СПД обеспечивает достаточно высокий уровень тяговых характеристик при скоростях истечения (1…3) м/с, т.е. нижний предел скоростей истечения у СПД ближе примыкает к верхнему пределу скоростей истечения современных химических двигателей. Это позволяет получать относительно невысокие значения цены тяги С и использовать СПД на современных КА.

. СПД эффективно работает на инертных рабочих телах, в частности на ксеноне. Последнее существенно упрощает проблему создания системы хранения и подачи рабочего тела и решение проблемы совместимости ЭРДУ с системами ИСЗ.

. СПД имеет простую схему и конструкцию. В частности, для обеспечения его работы на установившемся режиме можно обойтись лишь одним источником электропитания.

Эти преимущества позволяют применить СПД для выполнения поставленной задачи: коррекция орбиты космического летательного аппарата.

Техническое задание:

Разработать двигательную установку для коррекции орбиты.

. Орбита космического аппарата круговая h=400 км.

. Время существования космического аппарата t _КА=5 лет.

. Время функционирования двигательной установки =2,3∙10⁷с.

. Рабочее вещество - ксенон

. Тяга ЭРД: .

. Тяговый КПД:

1. Определение оптимальной скорости истечения рабочего вещества и подбор двигателя

Определим оптимальную скорость истечения рабочего вещества (РВ) по формуле [1]:

, где (1.1)

-совершенство энергетического блока, ; -совершенство движительного блока, ; -тяговый КПД; -время функционирования ДУ, (с);

Так как аппарат использует солнечные панели в качестве энергетического источника, то  варьируется в пределах (20…80) 10^-3 [1]. Выбираем =. Удельные массовые характеристики движительных блоков  варьируются в пределах (5…20) 10^-3 [1]. Выбираем =. Коэффициенты и были выбраны исходя из соображений необходимости вычисления максимальной оптимальной скорости истечения рабочего вещества. Чем меньше значения этих коэффициентов, тем больше значение оптимальной скорости истечения.

Подставляем выбранные значения в (1.1) и получаем:

По тяге ЭРД и  подбираем тип ЭРД по справочнику [2].

электрореактивная двигательная установка космический

2. Разработка и описание теоретического черчения расположения ЭРД на летательном аппарате

Космический аппарат представляет собой осесимметричное тело. Центр масс находится на оси симметрии.

В результате работы движителя создается реактивная тяга, которая и перемещает объект в космическом пространстве. Поэтому электрореактивный движитель разместим внутри космического аппарата, так чтобы вектор реактивной тяги проходил через центр масс космического аппарата, тем самым выполняя главную задачу - точная коррекция летательного аппарата в космическом пространстве. Движитель прикрепим к внутренней раме аппарата.