ВКР / Дипломная работа (Э-8) на тему "Установка для параметрических и ресурсных испытаний безрасходного катода-компенсатора"

Что в архиве:
РПЗ + 13 ЛистовРЕФЕРАТ

Расчетно-пояснительная записка 121 с., 36 рис., 13 табл., 19 источников.
ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ, КАТОД-КОМПЕНСАТОР, ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ, РАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО, ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ УСТАНОВКА, ВАКУУУМНАЯ КАМЕРА, СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ, ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Объектом разработки является установка для параметрических и ресурсных испытаний безрасходного катода-компенстора.
Цель работы – проектирование установки для испытаний нового образца катода-компенсатора
Установка предназначена для проведения испытаний на работоспособность и для получения экспериментальных характеристик с целью их дальнейшего анализа для выявления оптимальных значений рабочих параметров катода-компенсатора.
 
СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
Техническое задание 8
1 Проектно-конструкторская часть 9
1.1 Исходные данные 9
1.2 Принцип действия и описание конструкции 10
1.3 Расчётная часть 15
1.3.1 Расчёт эмиссионных характеристик катода-компенсатора 15
1.3.2 Тепловой расчёт катода-компенсатора 24
1.3.3 Определение затрат мощности 29
1.4 Описание исследовательской установки 34
1.5 Модель разрядного устройства 36
1.6 Вакуумная система 39
1.6.1 Расчёт откачной системы 44
1.7 Система электропитания и измерений 49
2 Технологическая часть 52
2.1 Назначение и краткое описание конструкции 52
2.2 Обоснование выбора материалов 52
2.3 Технологический процесс сборки 54
3 Организационно-экономическая часть 55
3.1 Введение 55
3.2 Расчётная часть 56
3.2.1 Определение сроков проведения работ 56
3.2.2 Расчёт стоимости проведения работ 59
3.2.3 Расчёт эффективности 65
4 Охрана труда и экология 68
4.1 Введение 68
4.2 Анализ опасных и вредных факторов исследовательского стенда 69
4.2.1 Нормативные документы 69
4.2.2 Опасные и вредные факторы проектируемой установки 70
4.2.3 Расчёт защитного заземления 76
4.2.4 Расчёт устройства защитного отключения 79
4.3 Анализ факторов негативного воздействия на окружающую среду……………………………………………………………………………...83
4.4 Пожарная безопасность 84
5 Исследовательская часть 89
5.1 Описание измерительной системы 89
5.2 Эксперимент 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 103
ПРИЛОЖЕНИЕ А 106
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 107
ПРИЛОЖЕНИЕ В 109
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 120


ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние и перспективы развития исследования космоса и использование его в коммерческих целях предъявляют всё более жёсткие требования к системам ориентации и коррекции (СОК) космических аппаратов (КА), в том числе и при решении маршевых задач. Увеличение времени функционирования космических аппаратов приводит к необходимости разработки электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ), как наиболее перспективных по сравнению с существующими (газовыми, химическими и др.) двигательными установками. Применение ЭРДУ на КА позволяет при существенном увеличении времени активного существования КА снизить массовые характеристики ДУ и открывает принципиальную возможность решения задач длительных полетов в космосе, практически неосуществимых с помощью химических ракетных двигателей (РД), а также качественно новые возможности использования мощных ЭРДУ для маршевых задач и коммерциализации космоса.
Одним из наиболее эффективных и отработанных в настоящее время двигателей ЭРДУ является стационарный плазменный двигатель (СПД) с замкнутым дрейфом электронов, обладающий простотой конструкции ускорителя и системы электропитания, что повышает надежность всей ЭРДУ, легкой регулируемостью тяги в достаточно широком диапазоне с помощью расхода и напряжения, а также возможностью точного поддержания тяги на требуемом уровне, достаточно большим ресурсом работы, который может быть доведен до ~ 104 час и более, достаточно высокими динамическими характеристиками с большим числом включений (105), что очень важно для системы ориентации КА, низкими удельными массовыми характеристиками ~ 1 кг/кВт.
Все это делает СПД универсальным ЭРД для использования его в СОК КА, транспортных задачах по доставке полезной нагрузки с опорной орбиты, а также маршевых задачах по полетам в дальний космос. Физический принцип работы СПД состоит в электростатическом ускорении ионного потока в замагниченной плазме и дрейфом электронов в Е х Н полях с последующей нейтрализацией объемного заряда ионов на выходе электронами с помощью специального нейтрализатора для обеспечения электронейтральности КА. Плотность тока ионного пучка в таком двигателе составляет, в отличие от ионных ~ 100 мА/см2 (т.е. в ~20 раз больше).
Катод-компенсатор (КК) является одним из основных элементов СПД. Кроме обеспечения токовой компенсации пучка (I_=I+) он должен обеспечивать нейтрализацию объемного разряда ne = ni на выходе из двигателя. КК представляет собой наиболее теплонапряжённый элемент двигателя и может значительно сократить его ресурс и надёжность. Поэтому создание и исследование работоспособной конструкции источника электронов обладающего большим ресурсом, позволяющего производить многократное включение двигателя и потребляющего сравнительно малую мощность, является одной из важнейших задач при разработке ЭРДУ на базе СПД [1].
Компенсация (нейтрализация) пространственного заряда пучка положительных ионов в общем случае ионно-пучковых технологий осуществляется введением в поток ионов свободных электронов и/или электроотрицательных молекул или атомов, обладающих высоким сродством к электрону и большими сечениями образования отрицательных ионов при столкновении со свободными электронами. Потоки свободных электронов и электроотрицательных молекул или атомов поддерживают такими, чтобы плотность положительного заряда пучка, по крайней мере, не превышала плотности его отрицательного заряда присутствующих в нем электронов и образованных отрицательных ионов [2].
На сегодняшний день разработано множество конструкций катодов-компенсаторов, но поиск наиболее перспективных конструкций продолжается. Целью создания новых конструкций является получение заметного результата в виде снижения расхода рабочего тела, уменьшения удельных энергозатрат, упрощения конструкции и удешевления производства, снижения теплонагруженности конструкции и, как следствие, увеличения ресурса катода-компенсатора (нейтрализатора). Перечислим некоторые типы нейтрализаторов объёмного заряда ионного пучка:
автоэмиссионные;
нейтрализаторы на основе использования плазменного разряда (с инициацией электронами, эмитируемыми термокатодом) [3];
плазменный источник электронов на основе ёмкостного ВЧ дугового разряда;
нейтрализатор на основе магнитно-индукционного разряда;
компенсаторы с применением газоразрядной плазмы и импульсного лазера [4];
термоэмиссионные катоды и т.д.
Как говорилось ранее, ведутся разработки новых конструкций нейтрализаторов. Одним из важнейших критериев является снижение расхода рабочего вещества. Поэтому ведутся исследования в области безрасходных катодов-компенсаторов. Одним из вариантов может быть термоэмиссионный катод с низкой работой выхода. Учитывая сильную нелинейность зависимости срока жизни термокатода от его рабочей температуры, снижение работы выхода позволит производить нагрев до более низких температур, что существенно повышает ресурс. В рамках данной работы проводится разработка конструкции безрасходного термоэмиссионного катода-компенсатора с работой выхода эмиттера порядка 1.8÷2 эВ и рабочей температурой 900÷1100 °С.

Техническое задание

Требуется спроектировать установку для проведения параметрических и ресурсных испытаний безрасходного катода-компенсатора. Необходимо разработать:
конструкцию безрасходного катода-компенсатора;
конструкцию разрядного устройства;
вакуумную систему;
систему электропитания;
систему сбора и регистрации данных;
схему компоновки разрядного устройства в камере;
общий вид исследовательской установки
 
Проектно-конструкторская часть
Исходные данные

Тип катода-компенсатора - безрасходный термоэмиссионный;
Максимальный ток разряда, А…………………….……….....3;
Максимальное рабочее напряжение, В……………….……...800;
Работа выхода материала эмиттера, эВ……………………....2;
Температура эмиттера, °С……………………………..……...900÷1100;
Давление, Па………………………………...……………….......10^(-3)÷10-4;
Максимальный ток нагревателя, А…………………………...8;
Материал нагревателя………………………………………....W-Re;
Материал анода………………………………………………...Mo.

 
Принцип действия и описание конструкции

Термоэмиссионный КК был выбран в качестве альтернативы существующим конструкциям. Причиной поиска альтернатив является снижение массогабаритных параметров каждого элемента космического аппарата с одновременным сохранением функциональности, надёжности и ресурса. Разрабатываемая конструкция является безрасходной. Как следствие, для его работы не требуется наличия запаса рабочего вещества, резервуаров для его хранения и системы подачи. Это в разы снижает общую массу нейтрализационного узла. Для примера приведём значения расходов для реальных моделей. Номинальный расход рабочего тела через серийный катод КЭ-1 составляет 0,1…0,15 мг/с, а расход двигателя СПД-50 – 1,25 мг/с, т.е. катодный расход составляет 7,5÷10,5% от общего расхода [5]. Для двигателей малых типоразмеров катод может заметно снижать тяговые характеристики вследствие того, что катодный расход рабочего вещества и энергопотребление становятся сопоставимыми с двигательными [6].

и тд