ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

Таблица 1

1. Орбита — круговая	=525 км
2. Время существования КА	=6 лет
3. Характерный диаметр КА	=3 м
4. КПД ЭРД, движителя

1 Расчет тяги ЭРД и определение его электрической мощности

Определим скорость КА на заданной орбите по формуле:

(км/с);

где k – гравитационный параметр Земли;

R - средний радиус Земли 6371 км;

h - высота орбиты 400 км.

Движение космического аппарата зависит от возмущающих сил, которые постепенно изменяют элементы орбиты. В первую очередь на орбиту влияют несферичность орбиты Земли и неравномерность распределения масс на ее поверхности и в недрах. Возмущения орбиты возникают также из-за сопротивления земной атмосферы, притяжения других небесных тел, давление солнечного света. Главные возмущения спутниковых орбит вызваны несферичностью Земли и сопротивлением атмосферы.

Включение бортовой двигательной установки на базе ЭРД позволяет компенсировать эти возмущения. При определении тяги ЭРД можно предположить, что для поддержания КА на заданной круговой орбите ЭРД должен компенсировать потерю скорости аппарата, вызванную только сопротивлением, оказываемым атмосферой на заданной орбите:

(1.1)

S_эфф — площадь поперечного сечения аппарата;

С_x=1..2 — коэффициент аэродинамического сопротивления;

ρ_b=1,57·10^-11 _— плотность атмосферы на орбите h=400км.

Для начального расчета эффективную площадь можно определить из следующего выражения:

(1.2)

Для выполнения своей задачи ЭРД включается периодически и время его работы составляет 10% от времени функционирования КА на орбите. Тяга ЭРД должна быть увеличена во столько раз, сколько уменьшено время работы двигателя.

Р_ЭРД=

Удельный импульс определим из выражения:

(1.3)

=0.7 - КПД электроракетного двигателя;

Вычисляем потребную электрическую мощность ЭРД:

(1.4)

По полученному значению удельного импульса определяем тип ЭРД. Принимаем в качестве электрореактивного движителя ПИД.

Для обеспечения работы ПИД в течение необходимого времени ЭРДУ должна включать в себя запас рабочего тела. Для того чтобы определить этот запас, необходимо знать расход рабочего тела через движитель. Частично ответ на этот вопрос может дать величина ионного тока. Однако не весь расход, превращаясь в ионы, покидает движитель в виде ионной струи. Часть нейтральных атомов рабочего тела не ионизируется в ГРК и проходит через электроды ИОС. Величиной, характеризующей степень совершенства использования рабочего тела, является _м, или коэффициент использования рабочего тела. Реально достигнутый диапазон _м лежит в пределах 0,80,9. Выбрав оптимальную величину _м, определим реальный секундный расход рабочего тела. Для этого сделаем пересчет скорости истечения рабочего вещества из ПИДа:

м/с (1.5)

(1.6)

m^•_эд реальный секундный расход рабочего тела.

Зная ресурс работы ЭРДУ, найдем общий запас рабочего тела:

( 1.6)

где k_рт коэффициент, учитывающий потерю рабочего тела при хранении (k_рт~1,01÷1,05), принимаем равным 1,03.

Расчеты проведены по методическому пособию [1].

2 Разработка и описание теоретического чертежа размещения ЭРД на спутнике

На чертеже (ХАИ.06.441п.11.ТЧ.02.) приведен спроектированный космический аппарат (1). Фотоэлектрическая батарея (2) ориентирована и представляет собой 2 панели, в любом положении КА солнечные батареи обеспечивают потребную мощность. Космический аппарат предназначен для дистанционного зондирования Земли.

Двигательная установка (3) расположена таким образом, что вектор тяги проходит через центр масс аппарата, и лежит на одной прямой с вектором направления движения. По условиям задания КА должен двигаться по круговой орбите на высоте h=400км, и в любом месте орбиты продольная ось аппарата должна быть направленной на землю. Время функционирования составляет 10 процентов от времени существования КА, т.е. . Для выполнения данной задачи, недостаточно применения одного движителя, поэтому решено установить на КА два движителя, работающих посменно. После того как первый ПИД отработает свой ресурс, необходимо будет повернуть КА в пространстве так, чтобы вектор тяги резервного ПИДа проходил через центр масс КА и лежал на оси направления движения. На борту КА установлена измерительная аппаратура, позволяющая проводить исследование уровня радиации, зондировать поверхность Земли, измерять давление и температуру на соответствующей высоте.

3 Разработка функциональной схемы двигательного блока. Описание схемы

Функциональная схема (ХАИ.06.441.11.СГ.03.) дает подробное представление о работе двигательной установки и представляет собой совокупность функциональных элементов соединенных между собой. На данной схеме представлены прямые и обратные связи, по которым происходит обмен информацией между элементами.

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);

m_i – масса иона ( для ксенона );

U_уск – 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)

В ыражение для тяги ионного движителя с однократно заряженными ионами запишем так:

(4.3)

где P_ЭРД – тяга ПИД, Н;

I_i – ток ионного пучка, А.