Высокочастотный ионный двигатель малой мощности

К теплофизическим свойствам материалов относятся такие, как теплоемкость, температурный коэффициент линейного расширения, термоэлектродвижущая сила.

В теории динамики кристаллической решетки обычно рассматривают бесконечно большой кристалл, введенный геометрическими тождественными многогранниками - элементарными ячейками [5]. Тепловые комбинации ионов в узлах кристаллической решетки являются основной причиной теплового расширения. С повышением или понижением температуры меняются как линейные размеры и объем макро образцов, так и межплоскостные расстояния кристаллической решетки. На измерениях этих изменений и построены методы определения температурного коэффициента линейного (объемного) расширения (ТКЛР).

Одним из простейших методов определения ТКЛР является метод измерения изменения геометрических размеров массивного образца материала с изменением его температуры. Расширяясь, образец толкает датчик перемещения (дилатометрические методы), при этом ТКЛР рассчитывается из формулы

А/

а1 =-

1 /0 - А?

где а1 - температурный коэффициент линейного расширения;

Д1 - изменение геометрического размера образца;

10 - начальный размер образца;

Дt - изменение температуры образца.

Температурный коэффициент объемного расширения определяется, соответственно

А¥ а„ =-

К V -А? ,

где ДУ - изменение объема образца;

У0 - начальный объем образца.

Связь коэффициентов и XI и XV в первом приближении имеет вид ау ~ 3аг

Для определения ТКЛР образцов, обладающих геометрическими размерами и недостаточной для дилатометрических методов жесткостью применяется метод высокотемпературной рентгенографии, основанный на измерении изменения межплоскостных расстояний кристаллических веществ под воздействием температуры.

Изменение межплоскостных расстояний приводит к сдвигу дифракционных линий. Так метод измерений и определения ТКЛР подобен дилатометрическим методам

пк

Аа

где Да - изменение межплоскостных расстояний; а0 - начальные межплоскостные расстояния. Межплоскостные расстояния рассчитываются по формуле Вульфа - Брегга

где X - длина характеристического излучения;

8 - интерференционный угол.

Измерение термоэлектродвижущей силы проводится обычно по следующей методике. К исследуемому образцу присоединяются (чаще всего методом точечной сварки) медные проводники (термо-э.д. измеряется в паре с медью). Одно соединение (холодный спаи) помещается в термостат с комнатной температурой, другое соединение (горячий спай) помещается в термостат с повышенной или пониженной температурой. Термо-э.д.с рассчитывается по формуле

=Ш-

' Т2 - т ,

где Et - термо - э.д.с.;

ЭДС - показания прибора.

Теплоемкостью тела называется физическая величина, количественно равная отношению количества теплоты 50, сообщаемого тему, к изменению температуры тела

С = ^ аТ ш

Наиболее информативным параметром является изменение теплоемкости вещества, которое характеризует различные фазовые переходы. Измерение уменьшения теплоемкости (содержание тепла) в зависимости от температуры нагрева реализуется в установках дифференциально-термического анализа (ДТА).

В печь помещаются два тигля: один с инертным веществом А1203 другой-с исследуемым. В тигли с исследуемым и инертным веществом помещаются спаи дифференциальной термопары, термо-э.д.с которой пропорциональна разности температур этих веществ. Тигли начинают нагревать с постоянной скоростью. Зависимость разности температур инертного и исследуемого вещества от температуры нагрева называется кривой ДТА. Она дает информацию о температурах фазовых переходов, изменении структуры веществ.

Информация о комплексе теплофизических параметров материалов позволяет производить их сравнительный анализ, выбор материалов для использования в тех или иных конструкциях. При разработке различных конструкций (например, конструкций резисторов) и прогнозировании их свойств и поведения при воздействии внешних факторов необходимо знать теплофизические свойства исходных материалов, используемых в данной конструкции.

Таким образом, при разработке конструкций прецизионных проволочных и металлофольговых резисторов необходимо, в первую очередь, иметь информацию о свойствах исходных резистивных материалов фольги и проволоки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Испытания металлов. Справочник под ред. Х.Блюменоуэра, "Металлургия", М., 1979.

2. Потенциометры / А. Т. Белевцев. - Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1969. 328 с.

а0 - А'

УДК 629 578

Ермек Г. К., Ергалиев Д. С.

Евразийский Национальный университет им. Л.Н.Гумилева, Астана, Казахстан

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Рассчитаны основные рабочие характеристики двигателя ВЧИД ММ для потребляемой мощности 300 Вт. Произведен расчет основных геометрических параметров ионно-оптической системы ВЧИД. Выбрана конфигурация электродов ИОС Ключевые слова:

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ МАЛОЙ МОЩНОСТИ (ВЧИД ММ), КОНСТРУКТИВНЫЙ ОБЛИК, РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОТРАБОТКА, ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ БАЗА

Введение

В последние годы резко возросло количество выводимых на орбиту малых космических аппаратов. Стоимость МКА значительно ниже стоимости тяжелых аппаратов, что позволяет уменьшить потери при неудачном запуске или при досрочном выходе из строя в процессе эксплуатации [1]. Вследствие

относительной простоты МКА существенно сокращаются также сроки их проектирования и изготовления. Анализ современных тенденций развития рынка КА показывает [2], что функционирование ряда систем могут обеспечивать МКА массой от 100 до 500 кг, размещенные на низких (до 1000 км) орбитах.

К ним относятся системы мобильной связи и радионавигации, а также системы мониторинга Земли, атмосферы и околоземного космического пространства. Доля запускаемых тяжелых космических аппаратов (КА) (массой от 1 т и выше) постоянно снижается и сейчас составляет не более 30 % от общего количества запускаемых КА [3].

В последние годы существенно пересмотрены взгляды на области, в которых могут быть использованы МКА. Так, МКА все более широко используются для решения задач связи и телевещания, в том числе на геостационарных орбитах (ГСО). Согласно [2; 3] уже сейчас до 25 % геостационарных КА имеют массу менее 500 кг. Для достижения окупаемости задач, решаемых МКА массой 150...600 кг, необходимо продление их срока активного существования (САС) до 5.10 лет [5].

Для этого необходимо оснастить МКА электрореактивными двигателями малой мощности (до 500 Вт). В качестве таких двигателей могут быть использованы ВЧИД мощностью 150.500 Вт.

Цель работы оснастить МКА электрореактивными двигателями малой мощности (до 500Вт) с помощью ВЧИД мощностью 150.500 Вт.

Схема работы ВЧИД. Высокочастотный ионный двигатель работает следующим образом (рисунок 1). Рабочий газ (ксенон) подается в газоразрядную камеру (ГРК). Высокочастотная (ВЧ) мощность в радиочастотном диапазоне подводится от ВЧ -генератора к индуктору. Зажигание разряда инициируется кратковременной подачей электронов, эмитируемых нейтрализатором в разрядную камеру. После зажигания в разрядной камере поддерживается ВЧ - разряд индуктивного типа. В разряде нагреваемые ВЧ электромагнитным полем электроны производят ионизацию рабочего тела. Ионы извлекаются из плазмы разряда и ускоряются в ИОС. На стационарном режиме работы нейтрализатор служит для инжекции электронов в пучок ускоренных ионов, что обеспечивает токовую нейтрализацию плазменной струи [6].

Конструктивная схема трехэлектродной ИОС, в которой реализуется схема «ускорение-торможение ионов», показана на рисунке 2. Два электрода -эмиссионный (ЭЭ) и ускоряющий (УЭ) - выполнены перфорированными с множеством соосных отверстий. Третий замедляющий электрод (ЗЭ) чаще всего выполняется кольцевым, охватывающим пучок или может быть также перфорированным. Потенциал ЭЭ положителен, потенциал УЭ отрицателен по отношению к корпусу. ЗЭ заземлен или находится под потенциалом корпуса аппарата [7].

Ионы извлекаются из квазинейтральной плазмы газового разряда в ГРК через отверстия в эмиссионном электроде и ускоряются за счет потенциалов между ЭЭ и УЭ. Формирование пучка ионов определенной энергии, плотности тока и геометрии достигается согласованием параметров

газоразрядной плазмы (концентрации плазмы и электронной температуры) с геометрическими параметрами ИОС (диаметрами отверстий, толщинами электродов и величинами межэлектродных зазоров), а также электрическими

потенциалами ЭЭ и УЭ и атомной массой рабочего тела.

На выходе из двигателя ионный пучок в зоне нейтрализации трансформируется в поток квазинейтральной плазмы. Потенциал плазмы в зоне нейтрализации автоматически устанавливается таким образом, что формируется потенциальная ловушка для удержания в ее объеме электронов, компенсирующих пространственный заряд ионов [7].

Расчет основных характеристик ВЧИД. Основные рабочие характеристики ВЧИД - тяга Р(Н), удельный импульс тяги 1Уд(с) и КПД 1] . Эти величины связаны между собой формулой

где N - полная потребляемая мощность двигателя; £0 - ускорение свободного падения на уровне земли.

Тяга двигателя рассчитывается по формуле

щ _ Р-Ця-в 2-

Р = Ча-1^2-^-

где 1а - КПД по расходимости, оценивающий потери в создании направленного импульса (тяги) из-за расходимости пучка; I - ток ионного пучка; q -заряд иона; М - масса атома рабочего тела (в данном случае используется ксенон); П + - потенциал ЭЭ относительно корпуса двигателя; иП -потенциал плазмы в ГРК относительно ЭЭ.

Рисунок 2 - Конструктивная схема ИОС: 1 -опорный фланец ЭЭ; 2 - опорный фланец УЭ; 3 -опорный фланец ЗЭ; 4 - эмиссионный электрод; 5 - стяжной узел

Удельный импульс тяги рассчитывается следующим образом:

'уя = Ч-Т ¡2-^-

где 1т - коэффициент использования рабочего тела, равный коэффициенту ионизации ксенона в ГРК.

По этим формулам с учетом соображений о цене и коэффициенте ионизации были рассчитаны основные характеристики двигателя ВЧИД ММ для потребляемой мощности 300 Вт (табл. 1) . Базовым был выбран режим работы двигателя при ускоряющем напряжении 2000 В.

Заключение

С учетом соображений о цене и коэффициенте ионизации, были рассчитаны основные рабочие характеристики двигателя ВЧИД ММ для потребляемой мощности 300 Вт. Был произведен расчет основных геометрических параметров ионно-оптической системы ВЧИД и выбрана конфигурация электродов ИОС, при которой достигается достаточно малый полуугол расходимости ионного пучка.

Таблица 1

Расчетные характеристики двигателя ВЧИД ММ

Ускоряющее напряжение, В Тяга, мН Удельный ис-пульс тяги, с КПД Ток пучка, мА Секундный расход рабочего тела, мг/с Мощность, подаваемая от ВЧГ на индуктор, Вт

1000 10,6 2770 0,48 208 0,398 82

1500 9,6 3300 0,52 153 0,300 60

2000 8,8 3715 0,53 121 0,244 48

2500 8,1 4050 0,54 100 0,207 39

ЛИТЕРАТУРЫ

1. Урличич Ю., Кузенков А. Спутниковая связь: состояние и перспективы // Аэрокосмический курьер. 2012. В 2. С. 52-53.

2. Звездин И. Малые космические аппараты: перспективы рынка // Взлет. 2005. В 1. С. 50-55.

3. Dana Reizniece-Ozola. Business and legal aspects for small satellite control and payload data download using available commercial space-based communication systems // ISU EMBA 12 Module E -Thesis. 28 August. 2012.

4. Анализ современных возможностей создания малых космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли / Н. Н. Севастьянов [и др.] //Труды МФТИ. 2009. Т. 1, В 3. С. 14-22.

5. Loeb H. W. Development of RIT-Micro thrusters. IAC-04-S.4.04. 55th IAC.Bremen, 2004.

6. Численное моделирование первичного пучка ионов и потока вторичных ионов в ионно-оптической системе ионного двигателя / В. К. Абгарян [и др.]//Труды МАИ: электронный журнал. 2013. В 71. URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=4 67 02(датаобращения: 12.2.2015).

7. Loeb H. W. Principle of radio-frequency ion thrusters RIT. RIT-22 demonstrator test of Astrium ST at University of Giessen. 06-11 September. 2010.

8. Ергалиев Д.С., Саханов К.Ж. Постановка задачи контроля состояния систем бортового комплекса оборудования воздушных судов. Надежность и качество-2 0 0 9: Международный симпозиум.- Пенза, 2009., том 1. -С.34-35.

9. Кумисбек Г.М., Касымов У.Т., Мадиярова З.С., Ергалиев Д.С. Квадрокоптеры как доступные устройства для подготовки операторов беспилотников для дистанционного зондирования Земли. Надежность и качество. Труды международного симпозиума. 25 -31 мая 2015 г., Том -2, С. 22-24.

УДК 621.3

Козин P.P., Андреев П.Г., Наумова И.Ю., Таньков Г.В.

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

ВОЗМОЖНОСТИ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РЭС

В статье рассмотрены технические вопросы создания беспроводной передачи электроэнергии, что позволяет иначе представить транзитную передачу электроэнергии от источника к приёмнику. Рассмотрены основные показатели и характеристики беспроводной передачи электроэнергии, в конструкциях радиоэлектронных средств различного назначения

Ключевые слова:

РАДИОЭЛЕКТРОННОЕ СРЕДСТВО, ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ, БЕСПРОВОДНАЯ ПЕРЕДАЧА

À/2n, где À - длина волны (см. рис. 1) . Зона индукции постепенно переходит в зону излучения (волновую), и ярко выраженной границы между ними не существует. На границах ближней и дальней зон различают переходную промежуточную зону. При частотах 10, 1 и 0,1 МГц протяженность ближней зоны составляет примерно 4,7; 47 и 477 м.

В системах беспроводной зарядки для передачи энергии от источника (передатчика) к приемнику используется явление электромагнитной индукции, которое заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. На сайтах консорциумов WPC, PMA и A4WP можно найти информацию о принципе действия систем передачи энергии без проводов. Система состоит из первичной катушки L1 (источника) и вторичной катушки L2 (приемника). Катушки образуют систему с индуктивной связью. Переменный ток, протекая в обмотке первичной катушки, создает магнитное поле, индуцирующее напряжение в приемной катушке, которое может быть использовано как для зарядки аккумулятора, так и для питания устройства. По мере удаления вторичной катушки от первичной все большая часть магнитного поля рассеивается и не достигает вторичной катушки. Даже при относительно малых расстояниях индуктивная связь становится неэффективной.

Упрощенная эквивалентная схема магнитно-связанных катушек приведена на рисунке 2. Взаимная индуктивность М определяется из известного соотношения:

M = kjm

где k - коэффициент связи между катушками, зависящий от многих факторов, в т.ч. от расстояния между катушками, соотношения диаметров катушек, смещения между их центрами, от формы катушек и т.д. На рисунке 3 приведены значения коэффициента связи ( k ) при расстоянии между катушками 0,2; 2,5; 5; 7,5 и 10 мм, а также представлены

Основной задачей применения данной технологии является применение новых технологий в процессе приема передачи электроэнергии, решение данных вопросов является крайне актуальной задачей. Основными проблемами являются экономические показатели стоимости расходных материалов и сооружение зданий обеспечивающих транзит электроэнергии. Кроме этого в процессе передачи электроэнергии сверх высокого напряжения на большие расстояния возникают проблемы с потерями и фазное изменение напряжения. Немаловажную роль играют и климатические показатели, которые пагубно влияют на конструкции передачи энергии: окружающая температура, заморозки, влажность и т.п. Решить эту задачу исключительно за счёт замены физически изношенного и морально устаревшего оборудования на более совершенное значительно не повлияет, а экономические затраты превысят свои ожидания.

Существует несколько известных из курса физики беспроводных (бесконтактных) способов передачи энергии. Однако наибольшее распространение в электротехнике получили решения с использованием беспроводной передачи электроэнергии на основе явления электромагнитной индукции.

Ближняя

зона I Промежуточная | Дальняя зона < „| зона

Рисунок 1 - Ближняя и далвняя зоны

Как известно, область распространения электромагнитного поля разделяется на две основные зоны в зависимости от расстояния от источника излучения. Ближняя зона (зона индукции или реактивная) ограничивается расстоянием, равным