Инженерный расчет основных узлов стационарного плазменного движителя и системы хранения и подачи рабочего тела СПД - Производство и технологии курсовая работа
Главная
Производство и технологии
Инженерный расчет основных узлов стационарного плазменного движителя и системы хранения и подачи рабочего тела СПД
Определение тяговой мощности стационарного плазменного двигателя и кинетической мощности струи. Расчет разности потенциалов, ускоряющей ионы, разрядного напряжения, тока и мощности. Общая характеристика магнитной системы СПД. Система подачи рабочего тела.
посмотреть текст работы
скачать работу можно здесь
полная информация о работе
весь список подобных работ
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
V i -средняя скорость ионов на выходе;
K cmy -доля ускоренных ионов на выходе;
СПД - стационарный плазменный движитель;
КПД-коэффициент полезного действия;
СХПРТ- система подачи и хранения РТ;
Электроракетные движители представляют собой новый класс устройств, в которых тяговое усилие получается в результате преобразования электрической энергии в кинетическую энергию ускоренной из них массы рабочего тела. Благодаря использованию новых принципов ускорения рабочего тела с помощью ЭРД удалось получить большие скорости истечения, чем в термохимических движителях. В настоящее время можно считать практически освоенным диапазон скоростей (10000…100000) м/c. Без значительных осложнений могут быть получены еще более высокие скорости, тогда как для жидкостных ракетных двигателей предельные скорости истечения составляют приблизительно 5000 м/с.
ЭРД представляют собой эффективные источники ионов и ускоренных потоков плазмы и, как показывают первые пробы, могут найти целый ряд других применений.
Перспективы применения ЭРД зависят от общего уровня и перспектив развития космической техники, которые в первую очередь определяются состоянием разработки систем запуска КА и бортовой энергетики КА. В данной работе будет рассчитан двигатель с необходимым запасом рабочего тела. Конструктивные параметры двигательной установки будут разработаны с учетом требований надежности и прочности.
Данный проект является продолжением разработки аван-проекта ракетно-космической системы наблюдения за поверхностью Земли.
В качестве исходных данных взяты такие величины:
время работы движителя =9,4610 6 с.
а) средний диаметр ускоряющего канала D определяющий масштаб модели;
б) диаметр наружного наконечника ускоряющего канала D н ;
в) диаметр внутреннего наконечника ускоряющего канала D в ;
ж) толщина выходных кромок изолятора к .
Рис. 1.1 Принципиальная схема и основные размеры СПД.
Для общей характеристики конструкции используются также габаритные размеры D у и l у . Принимая во внимание вышеизложенное можно сказать, что в качестве основной задачи расчёта рассмотрим определение совокупности значений перечисленных размеров, которые позволяют обеспечить выполнение заданных требований. Все эти размеры найдем методом оптимизации по среднему диаметру движителя. При выборе среднего диаметра необходимо выполнение условия, которое обеспечивает достаточную величину КПД двигателя:
Найдем массовый расход движителя по формуле:
Тогда максимально допустимое значение среднего диаметра равно
д) внутренний диаметр ускоряющего канала определим по формуле:
е) толщину выходных кромок изолятора определим по формуле:
ж) диаметр движителя определим по формуле:
з) длина движителя равна среднему диаметру ускоряющего канала: м.
где = 0,95…0,97 - коэффициент, характеризующий разброс угла вылета ионов относительно оси ЭРД (принимаем = 0,96);
= 0,93…0,98 - коэффициент, характеризующий разброс ионов по энергии (принимаем = 0,97).
Концентрацию электронов в канале найдем по формуле:
где М- масса одного иона ксенона, которая составляет:
- разность потенциалов, ускоряющая электроны.
где =12,1 В - потенциал ионизации ксенона;
Расcчитанная концентрация электронов соответствует оптимальному режиму работы двигателя.
Толщина слоя ионизации в канале определяется по следующей формуле:
где k= - постоянная Стефана-Больцмана;
Долю ускоренных электронов попадающих на стенки диэлектрической камеры определим по формуле:
Ток ионов можно определить по формуле:
Исходя из выше приведенных расчётов, ускоряющую разность потенциалов можно определить по формуле:
где k а - коэффициент аккомодации. В настоящее время отсутствуют точные данные о величине k а в случае бомбардировки ионами диэлектрических мишеней, поэтому в дальнейшем будем принимать k а = 1.
Разрядный ток определим по формуле:
Разрядную мощность определим по следующей формуле:
Исходя из выше приведенных расчётов, цену тяги определим по формуле:
Среднюю скорость ионов на срезе ускоряющего канала определим по формуле:
Рассчитаем ресурс движителя по формуле:
где - величина тока ионов, выпадающих на стенку и полностью отдающих ей свою энергию.
- коэффициент распыления для материала АБН-2 [3].
Найдем отношение рассчитанного ресурса движителя к заданному.
В результате расчета первого этапа получили геометрические параметры разрядной камеры, которые обеспечивают ресурс ускорителя по запасу на износ.
Толщина выходных кромок изолятора (м).
Площадь ускоряющего канала =0,0018 (м 2 ).
Толщина слоя ионизации в канале l c =0,0078 (м).
Доля ускоренных электронов, попадающих на стенки диэлектрической камеры:
Найдем ларморовский радиус иона (R li ) и электрона (R le )[1].
Для величин выполняются неравенства и , которые соответствуют принятым при расчете допущениям.
Ток ионов, выпадающих на стенку I ист =0,13А.
Полученный ресурс достаточен для выполнения поставленной задачи.
Рис. 2.1 Распределение радиальной компоненты индукции магнитного поля по длине ускоряющего канала СПД.
Анализируя проведенные опыты, сделаем вывод о том, что для обеспечения высоких тяговых характеристик в движителе анод целесообразно располагать в области канала, где B r = 0, а срез канала - в области максимума B r . Выполнение первого условия необходимо для того, чтобы обеспечивались благоприятные условия замыкания электронного тока из плазмы на анод. Выполнение второго условия необходимо для того, чтобы фиксировалось оптимальное положение ускоряющего слоя в канале. Последнее условие обеспечивается тем, что в области спадающего магнитного поля развивается высокочастотная дрейфовая неустойчивость, способствующая резкому повышению подвижности электронов перпендикулярно магнитному полю, и необходимый поток электронов на анод в этой области пропускается при малой разности потенциалов.
Определим скорость дрейфа электронов. Для этого запишем уравнение сохранения энергии для электронов:
=12,1 В - потенциал ионизации ксенона.
Из формулы (2.1) выразим скорость электронов:
Определим индукцию магнитного поля на среднем диаметр канала:
где - напряженность электрического поля;
Т.к. расчет Вr проводится для зоны, где , то из этого соотношения получим значение индукции магнитного поля на выходе из канала 10 -3 Тл.
Поток магнитного поля из одного полюсного наконечника в другой через ускоряющий канал определяем по формуле:
где - площадь срединной цилиндрической поверхности, которую пересекает магнитное поле;
- индукция магнитного поля в ускоряющий канал;
Поток магнитного поля через сердечник внутренней катушки определяем по формуле:
где - площадь сечения внутренней катушки;
- индукция магнитного поля через сечение сердечника внутренней катушки.
Как видно из формулы (2.8), поток по всей магнитной системе должен быть одинаковым, поэтому:
Для изготовления магнитопровода берём электротехническую сталь Э45 (ГОСТ 21427-75) для которой при H=1,810 3 A/м: B с =1,2 Тл; m н =600.
Определим площадь сечения сердечника внутренней катушки:
где - диаметр сердечника внутренней катушки;
В сортаменте выпускаемого материала есть прутки диаметром 6 и 8 мм. Для обеспечения прочности выбираем больший диаметр, т.е. d c =8мм.
На основании первого правила Кирхгофа для магнитной цепи:
где - количество витков внутренней катушки;
- количество витков наружной катушки;
- расстояние между наружным и внутренним полюсными наконечниками;
- поток магнитного поля через сердечник одной наружной катушки;
- площадь поперечного сечения сердечника одной наружной катушки;
=12,5610 -7 Гн - магнитная постоянная;
- магнитная проницаемость в ускоряющем канале. Принимаем для плазмы.
- магнитная проницаемость сердечников внутренней и наружной катушек.
Наружные катушки представляет собой четыре параллельно соединенных источника магнитодвижущей силы, поэтому
Соотношение количества витков наружной и внутренней катушек можно записать как:
Из конструктивных соображений принимаем:
Расстояние между наружным и внутренним полюсными наконечниками находим как:
Определим магнитную проницаемость сердечников внутренней и наружной катушек:
Зная соотношение площадей поперечного сечения наружной и внутренней катушек, найдем диаметр сердечника наружной катушки.
С другой стороны площадь поперечного сечения одной наружной катушки равна:
где d 2 - диаметр сердечника одной наружной катушки.
Увеличим диаметр до 6 мм, чтобы обеспечить прочность и жесткость конструкции магнитной системы и всего двигателя.
Преобразовав формулу (2.14) найдем :
Определим количество витков внутренней катушки:
Определим количество витков наружной катушки:
Найдем толщину внутреннего и наружного полюсного наконечника. Примем равными боковую площадь внутреннего полюсного наконечника равной площади поперечного сечения сердечника внутренней катушки :
Зная, что , где d = 45 мм - диаметр внутреннего полюсного наконечника, h - его толщина, а (м 2 ) , найдем толщину внутреннего полюсного наконечника.
Аналогично находим толщину наружного внутреннего полюсного наконечника.
Для обеспечения прочности и жесткости магнитной системы увеличим толщину внутреннего и наружного полюсных наконечников до 1 мм.
Определим диаметр проволоки для обмотки. Для обмотки катушек выбираем медный провод в термостойкой изоляции ПОЖМ 1 ТУ16-502.004-82. Мощность, затрачиваемая на магнитную систему всех катушек, равна:
стационарный плазменный двигатель подача
Отсюда найдем сопротивление проволоки:
Площадь поперечного сечения проволоки равна[5]:
где -удельное сопротивление проволоки при 20С, [5].При температуре 600 К (на обмотке катушки) удельное сопротивление равно:
где - температурный коэффициент для медной проволоки.
где к =1,02-1,05- коэффициент запаса рабочего тела (принимаем к=1,05);
-массовый расход двигательной установки;
Массовый расход РТ через катод-компенсатор составляет приблизительно 10% от массового расхода через движитель, поэтому:
где R=8,31Дж/(мольК) - универсальная газовая постоянная;
T - температура хранения рабочего вещества;
P=56·10 5 Па - давление в баке, исходя из необходимости поддерживать РТ в газообразном состоянии;
Расчетное давление в баке должно определяться максимальной температурой хранения. Для авиационной и космической техники обычно задается диапазон рабочих температур от -50 до +50С[1]. Поэтому принимаем T=323 К.
Определяем диаметр сферического бака:
В качестве материала бака принимаем титановый сплав ВТ5-1, т.к. этот материал хорошо поддается штамповке и имеет хорошую свариваемость. Плотность данного материала с б = 4507 кг/м 3 , а [у] = 850·10 6 Па.
Определяем массу заправленного бака:
Определяем коэффициент складирования:
Определяем минимальную толщину стенки бака.
Для обеспечения достаточной жесткости, чтобы использовать бак, как силовой элемент конструкции СХПРТ, принимаем, с учетом коэффициента запаса прочности, д б = 0,003 м.
Бак состоит из двух полусфер, изготавливаемых штамповкой из прокатного листа Лист ВТ5-1 ОСТ 90042-71.. Площадь боковой поверхности каждой полусферы составляет:
Время одного цикла работы ресивера, учитывая время работы ЭРДУ, найдем как:
где n - число включений клапана, регулирующего подачу вещества в ресивере. В среднем оно составляет 10000 включений, которые гарантируются производителем.
Для газа( или пара) в ресивере справедливо уравнение Клайперона-Менделеева:
где - рабочее давление газа в ресивере;
- рабочая температура газа в ресивере;
- изменение масса рабочего тела в ресивере.
Так как ресиверы, которые используются в СХП КЛА, термостатированы, то для расчитываемого ресивера, исходя из опыта их применения, температуру РТ принимаем равной 323 К, а давление РТ, при котором будет работать ресивер, примем равным 2 10 5 Па.
Масса рабочего тела, находящегося в ресивере в момент его заполнения, будет определяться как отношение массы РТ , потребляемой за один цикл, к коэффициенту использования массы :
Представим ресивер как торообразный резервуар с малым радиусом r, большим R и толщиной стенки (рис3.1.).
Рис. 3.1 Конструктивная схема ресивера.
Тогда объем ресивера будет равен [6]:
Принимаем малый радиус тора равным:
Тогда большой радиус тора найдем как:
Принимая во внимание то, что давление в ресивере значительно меньше, чем давление в баке, то расчёт ресивера на прочность не проводиться. Чтобы обеспечить необходимую жесткость конструкции, принимаем толщину стенки ресивера д рес = 0,003 м. Размеры ресивера позволяют разместить двигатель в центре тора. Таким образом мы уменьшим габаритные размеры ДУ. Т.к. за счет инфракрасного излучения двигателя ресивер и бак нагреваются. Необходимо экранировать ресивер и бак металлическим экраном.
В данном проекте был проведен инженерный расчет основных узлов стационарного плазменного движителя и системы хранения и подачи рабочего тела СПД.
В рассчитанной курсовой работе были получены следующие важные характеристики СПД:
- кинетическая мощность струи СПД Вт;
- разность потенциалов ускоряющая ионы В;
В качестве рабочего тела был принят инертный газ- ксенон. Расчет СХП показал, что:
- рабочее вещество хранится в сферическом баке в газообразном состоянии;
- масса рабочего вещества М рт = 93 кг;
- бак и ресивер не термостатируются, т.е. в условиях открытого космоса; диаметр бака d б =0,87 м;
- малый диаметр ресивера r рес =0.124 м;
- большой диаметр ресивера R рес =0,3 м.
1. Белан Н.В., Ким В.П., Севрук Д.Д. Методика инженерного расчета СПД (учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию), Харьков, ХАИ, 1980-62 с.;
2. Белан Н.В., Ким В.П., Оранский А.И., Тихонов В.Б. СПД (учебное пособие), Харьков, ХАИ, 1989-316 с.;
3. Белан Н.В., Ким В.П., Севрук Д.Д. Расчет и проектирование двигательных установок с СПД (учебное пособие), Харьков, ХАИ, 1987-104 с. ;
4. Белан Н.В., Маштылев Н.А. и др. “Системы подачи рабочих веществ электрореактивных движителей”, Харьков, ХАИ, 1990-56 с.;
5. Пасечник Н.Д., Элементарная электротехника, Киев, 1957-224 с ;
6. Анурьев В.И., Справочник конструктора-машиностроителя, том 1, Москва, 1978-728с;
Определение тяговой мощности и кинетической мощности струи. Определение разности потенциалов, ускоряющей ионы. Конфигурация силовых линий магнитного поля. Расчет геометрических параметров ресивера, разрядного тока. Рассчитанные значения сопротивлений. курсовая работа [241,7 K], добавлен 18.12.2012
Порядок расчета основных энергетических характеристик и размеров стационарного плазменного двигателя. Определение тяговой и кинетической мощностей струи ионов и протяжённости слоя ионизации рабочего тела. Расчет разрядного тока и ресурса двигателя. курсовая работа [95,0 K], добавлен 01.03.2009
Характеристика основного теплоэнергетического оборудования. Определение параметров рабочего тела в компрессоре и параметров рабочего тела в газовой турбине. Расчет полного сгорания топлива. Определение энергетических показателей и системы охлаждения. дипломная работа [402,4 K], добавлен 10.07.2017
Параметры рабочего тела. Процесс впуска и выпуска, расширения, определение необходимых значений. Коэффициент молекулярного изменения горючей и рабочей смеси. Индикаторные параметры рабочего тела. Эффективные показатели двигателя, параметры цилиндра. курсовая работа [2,5 M], добавлен 12.10.2011
Предварительный расчет мощности электродвигателя, определение передаточного числа редуктора. Построение тахограммы и нагрузочных диаграмм, проверка двигателя по перегрузочной способности и мощности. Расчет и построение механических характеристик привода. курсовая работа [440,8 K], добавлен 24.09.2010
Характеристика и классификация станка ЦА-2А диленно-реечного с ролико-дисковой подачей, предназначенного для продольной распиловки досок и брусков толщиной от 10 до 80 мм. Расчет сил и мощности резания, потерь мощности в элементах кинематической цепи. курсовая работа [503,0 K], добавлен 08.05.2011
Технология получения деталей из дерева с помощью круглопильных станков. Выбор типового инструмента и определение его основных параметров. Расчет и анализ предельных режимов обработки (скорости подачи, мощности и фактических сил резания), механизма подачи. курсовая работа [456,8 K], добавлен 02.12.2010
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Рекомендуем скачать работу .
© 2000 — 2021
Инженерный расчет основных узлов стационарного плазменного движителя и системы хранения и подачи рабочего тела СПД курсовая работа. Производство и технологии.
Реферат по теме Гималайский медведь
Курсовая работа по теме Экономико-географическая характеристика Волгоградской области (район тяготения Приволжской железной дороги)
Реферат Асептика Хирургия
Сочинение Про Актовый Зал И Сложный План
Отчет по практике по теме Учет и контроль денежных средств и расчетов на предприятии
Доклад по теме Как гнездились динозавры
Сталин Как Политический Деятель Реферат
Контрольная работа по теме Сравнительный анализ сайтов ТД 'Москва', дома книги 'Молодая Гвардия' и ТД 'Библио-глобус'
В Чем Причина Межличностных Конфликтов Сочинение Декабрьское
Сочинение О Памятнике Великой Отечественной Войны
Дипломная работа по теме Бронхиальная астма
Контрольная работа по теме Производство стирола
Реферат: Отрасли хозяйства России, развёрнутая характеристика агропромышленного комплекса и подробное изучение Востично-Сибирского экономического района
Человек Самая Большая Загадка Эссе
Дидактические Игры В Доу Дипломная Работа
Курсовая работа: Судебная система России в 9-17 веках
Доклад по теме Таллин
Сочинение На Тему Заря 8 Класс
Контрольная Работа На Тему Автократия И Демократия
Курсовая работа по теме Управление товарными запасами предприятия
Укрепление правового положения потребительской кооперации - Государство и право курсовая работа
Планирование и прогнозирование в социально-экономической сфере - Государство и право курс лекций
Проявления заболеваний желудочно-кишечного тракта в полости рта - Медицина презентация