3 Формирование исходных данных 4 Исходные данные для расчета двигательной установки




Скачать 489.63 Kb.
страница3/3
Дата30.04.2016
Размер489.63 Kb.
1   2   3

Вт/м К

- коэффициент теплопроводности материала ребра;









- плотности материалов канала, теплоносителя, ребра ХИ;



- коэффициент, учитывающий массу не включённых в расчет конструктивных элементов ХИ;

2) Вычесляем значения коэффициентов для определения функций для расчета относительной площади и удельной массы ХИ



К

- температура на входе в холодильник излучатель



К

- температура на выходе из холодильника излучателя

- коэффициент, учитывающий изменение температуры по длине ребра


- параметр проводимости;





- эффективность ребра;



- коэффициент оребрения;



3) Определим функции для расчета относительной площади и удельной массы ХИ

-относительная площадь;


-удельная масса ХИ;





4) Определим функции для расчета площади и массы ХИ

-отводимая мощность;



-необходимая площадь;



-необходимая масса;



-допустимая площадь ХИ;


Суммарная масса всех состовляющих ЯЭУ:







Вывод: масса всей энергетической устанвки определяется как сумма масс входящих в нее элементов, прежде всего таких, как реактор-преобразователь, радиационная защита, холодильник-излучатель.

Представленная модель позволяется расчитывать все эти элементы в зависимости от температур катода при перелете и в режиме работы на орбите и от мощности энергоустановки (ЯТЭУ).

Посредством дальнейших вычислений возможно связывание двух их трех названных параметров и упрощение схемы оптимизации.

В следующем разделе рассмотрим модель взаимодействия ЯТЭУ с ЭРДУ и посчитаем массовые характеристики как всей ЭДС, так и остаток массы, предназначеный для размещения полезной нагрузки.


3.2. Определение потребного запаса характеристической скорости



При использовании ЯЭРДУ космический аппарат обладает очень малой тяговооруженостью. В этом случае для обеспечения приемлимой оперативности межорбитальный перелет КА осуществляется с постоянно работающей ЯЭРДУ по спиральной траектории.

Расчет потребного запаса характеристической скорости на выполнение межорбитального перелета с помощью ЯЭРДУ представляет собой достаточно трудоемкую задачу и основан на численном интегрировании дифференциальных уравнений движения КА. Однако для проведения оценочных расчетов вполне приемлимым является расчет по следующей аналитической зависимости.





- радиус исходной орбиты



- радиус целевой орбиты



- угол некомпланарности между исходной и целевой орбитами





- гравитационный параметр Земли






2.3. Модель функционирования ЭДС



2.3.1. Вывод формулы для расчета оптимальной массы выводимого спутника (полезной нагрузки).
Начальная масса КА вместе с ЭРДУ представляет собой сумму:



, где



- масса выводимого КА;



- масса энергоустановки;



- масса рабочего тела ЭРДУ;



- масса системы хранения и подачи рабочего тела;



- масса ЭРД;



- масса системы преобразования и управления эл. мощностью;



- масса комплекса обеспечивающих систем;



- масса конструкции ЯРДУ.

Величины, зависящие от массы КА:



- относительная масса КОС;



;



- относительная масса элементов конструкции ЭРДУ;



.

Подставим их в общую формулу массы:




Выразим массу КА:





После всех преобразования и подставлений зависимостей получим формулу для определения оптимальной массы КА выводимого на геостационарную орбиту двигательной установкой на основе электроракетного двигателя.



2.3.2. Вывод основных формул для расчета оптимальной массы в зависимости от эффективной скорости истечения рабочего тела из сопла ЭРД (Vx).
Начальную массу КА с ЯЭРДУ выразим как разность выводимого на начальную орбиту аппарата без массы ЖРДУ, выводящей его на переходную орбиту:



Масса рабочего тела для осуществления межорбитального перелета определяется с использованием формулы Циолковского следующим образом:



Масса СХРТ определяется массой рабочего тела




- относительная масса СХРТ



Если время работы двигателя взять равными времени перелета и считать, что тяга двигателя не изменяется со временем, то



Для расчета массы ЭРД найдем его КПД по эмперической зависимости:







Найдем массу ЭРД:



- удельная масса ЭРД (кг/Вт)



- ресурс ЭРД (час)



Электрическую мощность, потребляемую ЭРД, определяют следующим образом:




- КПД СПУ



Масса ядерной термоэммисионной энергетической установки из предыдущих вычеслений имеет вид:



Выражение для массы СПУ имеет вид:



- удельная масса СПУ (кг/Вт)



Подставим все зависимости в общую формулу




Вывод: разработанная математическая модель позволяет расчитывать массово-габаритные характеристики как всей ЭДС, так и отдельных ее компонентов: реактора-преобразователя, теневой защиты и холодильника-излучателя. В качестве параметров оптимизации могут быть выбраны в общем случае температура катода и мощность ЭДС в режиме перелета, в частном - расчет параметров холодильника- излучателя может оптимизирован по высоте и толщине ребра.

Модель написана таким образом, что любое изменение входных параметров позволяет пересчитать все учитываемые параметры ЭДС. Она допускает изменения внесенных табличных данных, других расчетных величин, а также добавление неучтенных параметров и зависимостей.

Применение модели в учебных целях дает возможность обучаемым заметно сократить время затрачиваемое на расчеты, в режиме реального времени проследить за ходом изменения ключевых параметров ЭДС на различных режимах и этапах ее работы, ознакомиться с методиками расчетов различных элементов КА на ЭВМ, а также изучить работу с математическим программным обеспечением. Для преподавателей это возможность повысить заинтересованность обучаемых в учебном процессе, заметно оживить ход этого процесса, приблизить методику обучения к требованиям современности.

Следующий шаг в выполнении поставленной задачи - выбор необходимых параметров, задание функций.


3.6.3. Расчет параметров ЯТЭУ



Найдем значения температур катодов для режимов работы ЯЭУ во время перелета и во время работы на ГСО из условий наработки на отказ и непревышения площади катодов в режиме работы на ГСО над площадью катодов в режиме перелета.



К - первичное приближение температуры в режиме перелета



К - первичное приближение температуры в режиме работы на ГСО







Избыточную электрическую мощность на ГСО найдем как:



Интервалы значений аргументов для построения графиков:



Вт;



К.

Зависимость массы ЯТЭУ от температуры катода





Избыточная электрическая мощность на ГСО




В интервале значений электрической мощности ЯТЭУ от 100 до 200 кВт наибольший интерес вызывает температура катода для режима работы на ГСО порядка 1570 К, как требующая минимальных затрат на ликвидацию последствий избытка электрической мощности посредством добавочных сопротивлений.

Данное значение температуры находится при этом на линейном участке графика зависимости массы ЯТЭУ от температуры катода, что уазывает на нецелесообразность ее дальнейшего увеличения. Отсюда делаем вывод о выборе температуры катода для режима работы ЯТЭУ на ГСО:





К;



;



К.

Примерные избыток электрической мощности и масса ЯТЭУ при этом имеют порядок (при Nэл=150000 Вт):



Вт;



кг;



Вт;




3.6.4. Расчет параметров ЭДС
Найдем оптимальные значения параметров ЯЭРДУ из условия максимальности массы полезной нагрузки, выводимой на целевую орбиту.

Оптимальную эффективную скорость истечения рабочего тела из сопла ЭРД найдем в точке максимума графика зависимости массы КА от эффективной скорости истечения рабочего тела из сопла ЭРД:





- начальное приближение эффективной скорости





- ищем скорость истечения, при которой электрическая мощность равна 150 кВт



- значение эффективной скорости соответствующее максимуму массы полезной нагрузки.



- оптимальное значение эффективной скорости

Определим оптимальные значения энерго-массовых характеристик различных конструкционных составляющих аппарата:

;



кг





;

;




кг/Вт



кг

;

Зависимость массы КА, требуемой на его вывод, от эффективной скорости истечения рабочего тела из сопла ЭРД





Зависимость массы КА от мощности ЯТЭУ, требуемой на его вывод






кг

;



кг

;



кг

;



;



кг

;



кг

;





кг

;





кг

;





кг

.


3.6.2. Выбор времени доставки ПН на ГСО.
Расчет ЭДС с ЯТЭУ мощностью 150 кВт по представленной модели при изменении времени доствки ПН с 4 до 12 месяцев позволил выявить следующие зависимости:
- время доставки и эффективная скорость истечения РТ;





- масса ЭДС и КА.





Проинтерполировав время доставки по массе ПН,



определим время доставки ПН массой 3,5 т:

кг






сут

т.о. предложенная ЭДС доставит на ГСО полезный груз массой 3 т за время 153.7 сут. Что соответствует расчетам проведенным в РКК "Энергия".

Зависимость массы полезной нагрузки, ЭДС и рабочего тела от времени доставки МПН на ГСО



Зависимость эффективной скорости истечения ЭРДУ от времени доставки МПН на ГСО


Конструктивные параметры ЯТЭУ:







- количество электрогенерирующих элементов;





- площадь эмиссионной поверхности;







- объем активной зоны;







- радиус реактора-преобразователя;







- высота реактора-преобразователя;







- толщина отражателя нейтронов;







- масса реактора-преобразователя;






- высота радиоактивной защиты;









- расстояние до объекта защиты (МСС);







- масса радиоактивной защиты;







- масса холодильника-излучателя;







- полная масса ЯТЭУ.







Режимные параметры ЯТЭУ:

- температура анода и катода в режиме перелета;







- температура анода и катода в режиме работы на ГСО;







- электрическая мощность ЯТЭУ при перелете и на ГСО;







- избыток электрической мощности на ГСО.




Параметры ЭДС:



- время перелета;





- время работы на ГСО;





- масса полезной нагрузки (целевых систем);





- высота МСС (ЭРД, СПУ, СХРТ);





- длина выдвижной штанги;



м

- масса рабочего тела;







- масса МСС (ЭРД+СПУ+КОС);







- масса ПН+ЭРТА.




1   2   3


База данных защищена авторским правом ©ekonoom.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница