Процесс ускорения заряженных частиц осуществляется при помощи ионно- оптической системы ИОС. ИОС представляет собой два разноименно заряженных электрода. Наружный электрод (5) (т. е. ускоряющий электрод) заряжен отрицательно, именно благодаря ему происходит ускорение. Ионы ускоряются электростатическим полем с разностью потенциалов ~ 500 В.

На срезе движителя имеется катод - компенсатор (2), установленный на специальном кронштейне. Задача катода-компенсатора - понижение объемного заряда и нейтрализация ионного пучка на срезе движителя. К катоду-компенсатору подается газ, в катоде образуются электроны, которые и нейтрализуют положительно заряженные ионы. Рабочее тело на анод подается по трубке. Напряжение на элементы ГРК подается по электропроводам. Изоляторы предотвращают возникновение замыкания в ГРК ПИД.

6 Расчёт системы хранения и подачи рабочего

тела

6.1 Разработка и описание функциональной схемы системы хранения и подачи рабочего вещества

Функциональная схема системы электропитания ПИД представлена на чертеже ХАИ.06.441п.11.СГ.06. 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.

Система 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 фазовом 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 отсекает систему хранения от системы подачи до начала эксплуатации.

Система дросселирования включает:

• а) жиклер, 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) электроклапан, поддерживающий предельно допустимое давление в ресивере.

Система регулирования рабочего вещества состоит из следующих элементов:

• а) жиклёров, электроклапанов, и термодросселей, обеспечивающих заданные расходы в элементы движителя;

• б) электроклапана (ЭК3), предназначенного для стравления воздуха перед началом работы двигателя.

Так как в данной работе учитывается резервирование двигателей. то в СХПРТ предусмотрено две системы подачи рабочего тела отдельно для каждого двигателя.

Расчет системы хранения и подачи рабочего вещества проводим по методическому пособию [3].

6.2 Определение основных параметров бака для хранения рабочего вещества

Бак рабочего вещества по своему размеру и массе составляет наибольшую часть движительной установки. Требования к материалу и конструкции бака определяются видом выбранного рабочего вещества и схемой системы подачи.

Основные требования к баку:

а) малая масса;

б) прочность;

в) герметичность;

г) коррозионная стойкость;

д) совместимость с выбранным рабочим веществом.

Запишем уравнение состояния газа, учитывая то, что газ при заправке находился под давлением Р_о и температуре Т_о:

(6.1)

R=8.31 Дж·М/К– универсальная газовая постояння.

Определим из формулы (6.1) объем бака, т.е. объем рабочего тела V_о, приняв значение Р_о=5·10⁶ Па (т.к. не должно превышать критическое давление Р_кр) и Т_о=293 К (температура при нормальных условиях):

Зная объем бака, найдем его диаметр d_б:

(6.2)

Если изменились условия хранения газа в баке (т.е. Т_о выросла до Т_max), то уравнение состояния газа примет следующий вид:

Разделив уравнения состояния для двух случаев (Р=Р_max, Т=Т_max и Р=Р_о, Т=Т_о) друг на друга получим:

(6.3)

Величину максимальной температуры Т_max примем равную 400 К.

Зная величину Т_max, определяем Р_max:

(6.4)

Па.

Напряжения, возникающие в стенках бака из-за давления Р, определяются по формуле:

. (6.5)

Максимальные напряжения будут возникать в стенках бака при Р=Р_max:

(6.6)

Зная [σ] (в качестве материала, из которого изготавливается бак, выбираем титановый сплав ВТ5, для него степень черноты равна 0,63 [3], допускаемое напряжение (условный предел текучести) – [σ]=800 МПа) и учитывая то, что ≤[σ], вычисляем минимальную толщину стенки бака:

, (6.7)

где - коэффициент запаса.

Для обеспечения достаточной жесткости, чтобы использовать бак, как силовой элемент конструкции СХПРТ, принимаем, с учетом коэффициента запаса прочности (для сферы), принимаем , тогда

Масса конструкции бака равна:

(6.8)

.

Масса заправленного газом бака равна:

(6.9)

Важной характеристикой для СХПРТ, является коэффициент складирования, который показывает, во сколько раз масса заправленного бака больше массы хранящегося в нём рабочего тела.

Лучшей конструкцией бака считается конструкция, у которой γ принимает наименьшее значение.

Следует учесть то, что в использованных формулах мы пренебрегали изменением объема бака при расширении материала его конструкции при нагревании.

Рассчитанная ёмкость для хранения р.т. имеет следующие конструктивные параметры:

1. Сферическая форма бака;

2. Масса бака ;

3. Масса заправленного бака ;

4. Коэффициент складирования

5. Рабочее тело хранится в газообразном состоянии.

6.3 Расчет проектных параметров ресивера

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 P_{рес min} задается системой управления для обеспечения расхода рабочего тела с заданной точностью. Система управления задает работу СХПРТ таким образом, чтобы ΔМ_рес/М_рес 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:

. (6.10)

При m^•_эд=const получаем:

(6.11)

Время цикла t_цикла определяется следующим образом. Из технического задания известно общее время работы движительной установки. Электроклапан перед ресивером имеет гарантированное изготовителем число включений и выключений n_вкл, которое, как правило, равно 10000. Учитывая это, получим:

(6.12)

Тогда определим величину ∆М_рес:

(6.13)

Выработка из ресивера рабочего тела α за один цикл составляет:

(6.14)

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

Т
огда имеем:

Уравнение состояния газа в ресивере запишется следующим образом:

. (6.15)

Примем Т_рес=293 К. Давление в ресивере обычно составляет 2ּ10⁵ Па.

Определим объем ресивера:

(6.16)

Зная геометрическую форму бака, подбираем геометрическую форму ресивера. Форма резервуара ресивера должна быть такой, чтобы компоновочная схема СХПРТ занимала наименьший объём на КЛА. Для бака сферической конфигурации наиболее целесообразно применять ресивер, имеющий конфигурацию тора.

Для определения геометрических параметров тора, необходим выбрать меньший радиус тора, а больший радиус тора будет определяться как функция объёма и выбранного меньшего радиуса тора. Малый радиус тора выбираем равным половине радиуса сферы бака, что позволит сделать наиболее компактную компоновку СХПРТ.

Объем тора определяется как:

(6.17)

Рисунок 6.1 Параметры тора.

, (6.18)

где - диаметр сечения тора, - малый радиус тора.