CC BY
60
УДК 536.8:629.783:621.371 И. С. ВАВИЛОВ
В. В. КОСИЦЫН А. И. ЛУКЬЯНЧИК П. С. ЯЧМЕНЕВ А. С. ВЛАСОВ А. В. ЛЫСАКОВ
Омский государственный технический университет
О ВОЗМОЖНОСТИ РАЗЛОЖЕНИЯ АММИАКА СВЧ-ВОЗДЕЙСТВИЕМ В КОРРЕКТИРУЮЩЕМ МИКРОДВИГАТЕЛЕ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА_
В р а боте приведена методика расчёта газодинамических п ара метров основных элементов тракта аммиачной двигательной установки, создающей микротягу малого космического аппарата. Полученные расходные характеристики использованы для определения потребной н апряжённости электрического поля микроволнового излучения, диэлектрической проницаемости среды, выходной мощности. В целом, работа направлена на изучение возможности применения СВЧ-нагрева рабочего тела для получения тяги реактивного микродвигателя.
Ключевые слова: малый космический аппарат, аммиак, тяга, расход, СВЧ. Данные исследования проводятся в рампах финансовой поддержки Российским фондом фундаментальных исследований по Договору № 3116-38-60089\15 от 02.12.2015 г. (НИР № Гр.46-15, рег. № АЛЛА А161160202100195).
Задача разработки двигателей малой тяги малых целевой аппаратуры, может быть выделено от 5 до
космических аппаратов (МКА) (микро- и пикоспут- 40 Вт энергии. Третьим условием является малая
ники, в частности наноспутников формата СиЪеБа!;) величина расхода аммиака при работе ДУ, что обес-
является особо актуальной в связи с переходом на печивает больший срок активного существования
широкое применение последних. В мире и в России аппарата при меньшей массе запасённого топлива.
на государственном уровне поддерживаются прог- Т. е. удельный импульс должен быть максимально
раммы развития групповых запусков космических возможным.
аппаратов массой от 1 до 10 кг для выполнения Для решения поставленной задачи изначально различных задач (научные, военные, системы спут- проводился газодинамический расчёт тракта прос-никовой связи, навигация и т.д.), что обусловлено тейшей (без редуктора давления, испарителя и энергоэкономическим эффектом. ёмкого клапана) схемы ДУ (рис. 1), где роль редуктора Для разведения и коррекции ошибок выведения выполняет расширительная полость. По расходным аппаратов на орбиты функционирования исполь- характеристикам определялась полезная мощность зуются реактивные микродвигатели разного прин- СВЧ-генератора, по величине давления в реакторе ципа создания тяги. (в двухкомпонентных реактивных двигателях это В данной работе поставлена задача получения камера сгорания) определялась теоретическая ди-выходных характеристик СВЧ-генератора, предназ- электрическая проницаемость среды газифицирован-наченного для бесконтактной передачи энергии ра- ного аммиака. Результатом исследования является бочему телу (в настоящем исследовании — аммиак), величина необходимой для диссоциации объёма ам-создающего при своей газификации и разложении миака напряжённости электрического поля. Элек-реактивную тягу микродвигателя. трические величины, полученные в ходе исследова-Величина тяги микродвигателя пико-, нано- ния, вкупе с величиной массового расхода аммиака, и микроспутников ограничена возможностями сис- позволяют вести дальнейшие работы в плане про-темы управления ориентацией аппарата и составляет ектирования облика потребного СВЧ-генератора. 5 — 20 мН. Данное обстоятельство является первым Все расчёты проводились в математическом ограничивающим условием. Вторым является вели- программном пакете МаШса<3 14. чина энергопотребления двигательной установки Обычно при расчёте газодинамических парамет-(ДУ). В зависимости от полезной площади панелей ров тракта газовой установки с теплообменом и пересолнечных батарей на ДУ, без ущерба для работы падами давления пренебрегают изменением показа-
Рис. 1. Схема простейшей двигательной установки МКА
50 100 150 200 250 300 350 400 450
Температура, К Рис. 2. Области агрегатных состояний аммиака
теля адиабаты газа. Данное допущение более применимо к установкам с большим расходом и давлением, но имеет значение в случае перехода на микрорасходы.
Обработка телеметрии МКА серии ОЬ показала величину температуры конструкции аппарата в условиях околоземного пространства в диапазоне 0°С... + 10°С. Это обусловлено тепловыделением радиоэлектронных компонентов бортовых систем.
В расчёте принято, что температура жидкого аммиака в топливном баке может находиться в диапазоне от —5 °С до + 10 °С.
Согласно [ 1 ] давление аммиака в баке РБ на линии насыщения при обозначенной температуре варьируется от 3,528 до 6,116 атм. Под данным давлением при открытии электромагнитного клапана (ЭМК) (рис. 1) аммиак поступает в ресивер. Чтобы узнать агрегатное состояние истекающего аммиака по данным источника [1] строится линия насыщения (рис. 2). Истечение газа в ресивер сопровождается тепловыми эффектами — понижение температуры газа при адиабатическом дросселировании.
В общем случае изменение температуры при адиабатическом дросселировании может быть выражена соотношением, называемым эффектом Джоуля — Томсона [2]:
Ь • Я • Т 2 • а
АТ АР
(V - Ь)2 V2
дР_
дТ
(1)
где а, Ь — константы Ван-дер-Ваальса: для аммиака принимают значения
27 Я2 • Т2
64
Ь = ЯТкр
г "ш.
8 • Р.,,
Р =123,2.105 Па, Т =405,55 К — параметры аммиака
кр ' ' кр ' I I
в критической точке [1];
ср — изобарная теплоёмкость;
Я —универсальная газовая постоянная;
давление, температура и объём соответ-
Р, Т, V -
ственно.
Термодинамические параметры аммиака в топливном баке обозначены РБ, ТБ, срБ. Тогда, после вычисления производной в знаменателе уравнения (1) из уравнения Клапейрона, имеем температуру газа в ресивере:
2 • а
- К
•(Рр - РБ) + ТБ
(2)
где Рр, Тр — термодинамические параметры аммиака в ресивере.
Давление газа в ресивере зависит от объёма ресивера и назначается в соответствии с требуемой тягой двигателя. Объём ресивера ограничен массога-баритными характеристиками МКА. На этапе проектирования принимается Рр=1.104 Па (величина выходного давления редукторов ЕГКА.493614.005-02 от ООО «НТК "Криогенная техника"», применяемых в аммиачных ДУ МКА производства ПО «Полёт»).
Величина падения температуры в ресивере, рассчитанная по формуле (2), при перепаде температур в баке графически отображена на рис. 3. Сопоставляя графические данные (рис. 2 и 3) видно, что в ресивере аммиак находится в газифицированном состоянии и дополнительный подогрев для испарения не требуется.
Из ресивера газифицированный аммиак поступает в реактор, где под действием СВЧ излучения разлагается на азот и водород. В динамической системе (разложение в потоке) при отсутствии катализатора разложение 90 % аммиака требует температуры 900 °С и время пребывания более 105 с [3], что невозможно обеспечить в данной конструкции ДУ. Для эффективного разложения аммиака при более низких температурах используются катализаторы: вольфрам; медь; молибден; железо, осаждённое на оксид алюминия или оксид калия. В работе [4] утверждается, что разложение аммиака на железном активированном катализаторе является реакцией
о
оэ >
Т =
1Р
с
а
ЫИ
Р
кр
59
Рис. 3. Величина падения температуры в ресивере при давлении Рр=0,1 бар
Рис. 4. Изменение плотности аммиака в ресивере
нулевого порядка (не зависит от давления) и начинается с 360 °С.
Т. о., принимаем температуру в реакторе равной Ткс = 700 К. Необходимость диссоциации аммиака будет описана ниже.
Из ресивера газ поступает в реактор, где обеспечивается подвод тепла к рабочему телу. Подвод тепла при заданном перепаде давлений уменьшает расход газа, увеличивая скорость истечения [5]. Величина массового расхода по трубопроводу от ресивера к реактору равна [5]:
а = рР
2 ■ Р р ■(Рр - Ркс )
КС 1 ( 2' Тс -')
(3)
рв
плотность газа в ресивере.
Величину плотности можно определить из уравнения состояния Ван-дер-Ваальса:
(
Рр +
aNH3 ' рр ^
М 2
М ь
--К
Рр
ТР Я ,
(4)
где М=17, 0304 кг/моль молекулярная масса аммиака.
Решая уравнение (4), получим график зависимости плотности газообразного аммиака от его температуры в ресивере (рис. 4). Таким образом, из фор-
мулы (3) можно определить величину
а
Р„
на уста-
новившемся режиме работы двигателя.
Массовый расход газа через сверхзвуковое сопло определяется выражением [5]:
Р ■ Р
а = кс 1 кр
■\1Ткс
кН + N + 1
кН1
-1)
(5)
где Ркс — давление в реакторе: при открытии ЭМК и подвода энергии СВЧ эта величина возрастает от 0 (давление в вакууме) до 9 ■ 103 Па (данная величина обусловлена конструктивными параметрами ДУ и достигается теми же методами, что и в ресивере); Рр-кс — площадь проходного сечения трубопровода;
где Ркр — площадь критического сечения сопла (задаётся исходя из технологических возможностей): рассмотрим сопла с диаметром критики 0,5 мм, 0,6 мм, 0,8 мм, 1 мм;
кН^ — показатель адиабаты смеси азота и водорода; — газовая постоянная смеси азота и водорода.
В реакторе происходит диссоциация аммиака по формуле 2NH3 ® + 3Н2.
Вследствие этого меняются молекулярная масса рабочего тела и его показатель адиабаты. Средняя молекулярная масс — это условная величина, характеризующая однородный газ, у которого число молекул и общая масса равны числу молекул и массе смеси газов [6]. Т. к. по уравнению разложения аммиака в объёме конечной смеси присутствует 75 % водорода и 25 % азота, то:
2
к
Н + N
К
Н + N
60
Таблица 1
Значение расхода газа через сверхзвуковое сопло
dKP, м м2 —а, кг/с —а, мг/с
0,510-3 1,963 10-7 1.455-10-6 1,455
0,610-3 2.827-10-7 2.096-10-6 2,096
0,810-3 5.027-10-7 3.726-10-6 3,726
1,010-3 7.854-10-7 5,822-10-7 5,822
Я
мг
0,75 • Мн2 + 0,25 • Мк
(6)
где МН2 = 2,016 г/моль, Мж = 28,016 г/моль — молекулярные массы водорода и азота соответственно [7]:
Мср = 0,75МН2 + 0,25'М„2 = = 0,75' 2,016 + 0,25' 28,016 = 8,516 г/моль.
Тогда газовая постоянная смеси по формуле (6) равна:
Ян
8,314
Дж
= 0,97628
8,516 Дж
моль•К
г • К
976,28
Дж кг • К
488,162
кг • К
Из формулы (5) видно, что разложе-
кн
Ср.СР = 0,75Ср.Н 2 + 0,25Ср. N 2
г, 075с + 0 25с
"У.СР ' У.Н N 2
= 0,75срн2 + 0,25ср N2 , 0,75 ^ + 0,25 CPN2
(8)
к
к
2 • к„
1 -I
(9)
В формуле (9) Pн=0 — давление окружающей F
среды, —— — степень уширения сопла (отношение
FKP
площади среза к площади критики), Pa — давление на срезе сопла. Давление на срезе сопла, зная величину уширения, можно определить по соотношению [10]:
(7) =
кН+N + 1
кН+N "Т"1 2'( ^+N-1)
лЬ
Для сравнения: газовая постоянная аммиака Дж
2 • К
1 -
^+N-1 1
P 1 ь
(10)
ние аммиака даёт прирост в массовой расходе при той же температуре в реакторе, и как следствие — увеличение тяги двигателя.
Показатель адиабаты смеси можно определить по формуле:
F
Для —— = 20 величина давления на срезе равна
FKP
Pa = 97,93 Па — сопло недорасширенное. По формуле (9) для указанных диаметров сопел имеем значения тяги 1,476 мН, 2,125 мН, 3,778 мН и 5,904 мН.
Для дальнейшего рассмотрения примем величину тяги и расход для сопла с диаметром критики 1,0 мм.
Мощность электромагнитных колебаний, выделяющаяся в единице объёма радиопоглощающего материала, равна [11]:
Pуд = 0,278 • 10-
• f • в' • tgб • |Е|'
(11)
Дж кг • К
ср„ 2 = 1110
Дж кг • К
удельные теплоёмкости водорода и азота соответственно при 700 К и 1 бар [8];
кН2= 1,377, кт = 1,384 — показатели адиабаты водорода и азота соответственно при температуре 700 К и 1 бар [9].
Решая уравнение (8), получаем кН+^1 = 1,377.
По уравнению (5) для разных критических сечений сопла получаем расход через сверхзвуковое сопло (табл. 1).
Исходя из условия равенства массового расхода газа через любое сечение тракта ДУ по формуле (3) получаем диаметр (в метрах) проходного сечения трубопроводов, исходя из температурного перепада в баке (табл. 2).
Далее, для определения соответствия величины тяги ДУ заданному интервалу определяем её по формуле [10]:
Я = P • Р
ДУ К 1 ^
2<кн+N-1)
4к~н
где в' — диэлектрическая проницаемость аммиака; /= 2450 МГц — частота СВЧ;
1дб = 0,035 — тангенс угла диэлектрических потерь, согласно исследованию [12] данный параметр достигается и стабилизируется при активной диссоциации аммиака;
Е — напряжённость электрического поля.
Выразим величину напряжённости из формулы (11):
Е=
АНроз • Са
0,278 •Ю-12 •/• в'- tgб• V ,
(12)
теплота разложения
где АНраз = 3,08 406 Дж/кг аммиака [3];
V = —— — объёмный расход аммиака,
Ркс
ркс= 0,0263 кг/м3 — плотность газа в реакторе, величина определяется по уравнению Ван-дер-Ваальса.
Диэлектрическую проницаемость аммиака при низких давлениях можно определить по уравнению Кирквуда — Онзагера [13]. Согласно расчётам в' = 1.
о
оэ >
Я
-1
к
Я
Н „,
Н + N
P
+
X
кН+N + 1
P
Р
P
К
К
г
2
Р
P 1 кН +N а
P
кН+N + 1
P
К
К
12
где СрН2 = 14600
к
2
61
кН+N + 1
Таблица 2
(Р-КС при йКР = 0,5 мм (Р-КС при =0,6 мм (Р-КС при йКР =0,8 мм (Р-КС при йКр = 1,0 мм
5,5486-4 6,657е- 4 8,876е - 4 1,11е — 3
5,546е - 4 6,655е - 4 8,874е - 4 1,109е - 3
5,5456-4 6,654е-4 8,872е - 4 1,109е - 3
5,544е - 4 6,653е-4 8,871е-4 1,109е - 3
5,543е - 4 6,652е- 4 8,869е - 4 1,109е - 3
5,542е - 4 6,65е-4 8,867е - 4 1,108е-3
5,541е- 4 6,649е - 4 8,865е- 4 1,108е-3
5,539е - 4 6,647е-4 8,863е - 4 1,108е-3
5,538е - 4 6,646е-4 8,861е-4 1,108е-3
5,537е - 4 6,644е-4 8,859е - 4 1,107е - 3
5,535е - 4 6,643е-4 8,857е - 4 1,107е - 3
5,534е - 4 6,641е-4 8,855е - 4 1,107е - 3
5,533е - 4 6,64е-4 8,853е - 4 1,107е - 3
5,532е - 4 6,638е-4 8,851е- 4 1,106е - 3
5,531е- 4 6,637е-4 8,85е- 4 1,106е - 3
5,53е - 4 6,636е-4 8,848е- 4 1,106е - 3
Тогда, решив уравнение (12), можно получить величину напряжённости электрического поля, необходимую для пробоя среды рабочего тела и диссоциации его. Эта величина составила £ = 41290 В/м. Учитывая габариты ДУ, потребная разность потенциалов находится в пределах 42 — 70 В.
Время пребывания аммиака в реакторе под воздействием СВЧ-поля можно определить, зная геометрические размеры реактора. Реактором примем волновод диаметром йр = 20'10-3 м и длиной Ьр = 0,1 м. Из уравнения неразрывности при рхс = 0,0263 кг/м3
р ■ Ь ■ р • (I2
имеем í =-^ ---~' Для критического сечения
диаметром 1 мм время нахождения аммиака в реакторе составляет 0,142 с, что соответствует скорости потока 0,704 м/с. В исследовании [14] говорится о получении высокой температуры нагрева (до 600 К) потока разрежённого водорода (1—8 Торр) в разрядной камере длиной 10 см на частотах СВЧ 2,45 ГГц и падающей мощности 20 — 80 Вт. Расход водорода составлял 5 л/мин.
Сопоставим время пребывания аммиака в реакторе с временем, необходимым для его разогрева. Из уравнения теплоты, полученной веществом при
нагреве, следует: 10
%■ Ьр ■Ркс -4 ■(ТКС - Тр )■ Ср
4 аа- АНраз
здесь ср = 2,08.103 Дж/(кг.К) — теплоёмкость аммиака при давлении и температуре в ресивере. После подстановки значений получаем ^ = 0,4 с. Следовательно, в 2,8 раза необходимо увеличить время пребывания аммиака в реакторе. Увеличения площади проходного сечения недостаточно, требуются способы замедления скорости, например, пористые структуры на основе углерода.
Из всего вышесказанного следует, что имеется принципиальная возможность применения СВЧ-реакторов на двигательных установках пико- и нано-спутников. СВЧ-излучение обеспечивает необходимые условия для диссоциации аммиака с целью получения микротяги. Преимущества СВЧ-излуче-ния — это объёмный бесконтактный нагрев рабочего
тела при КПД, превышающем традиционные теплообменники.
Библиографический список
1. Теплофизические свойства аммиака / И. Ф. Голубев [и др.]. — М. : Изд-во стандартов, 1978. — 264 с.
2. Сивухин, В. Н. Общий курс физики : учеб. пособие для вузов. В 5 т. Т 2. Термодинамика и молекулярная физика / В. Н. Сивухин. - 5-е изд., испр. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2005. -544 с.
3. Исследования электротермических микродвигателей корректирующих двигательных установок маневрирующих малых космических аппаратов : моногр. / В. Н. Блинов [и др.]. — Омск, 2014. - 264 с.
4. Технология связанного азота. Синтетический аммиак / Е. Бласяк [и др.]. - М. : Госхимиздат, 1961. - 623 с.
5. Абрамович, Г. Н. Прикладная газовая динамика : учеб. пособие для вузов : в 2 т. / Г. Н. Абрамович. - 5-е изд., пере-раб. и доп. - М. : Наука, 1991. - Т. 1. - 600 с.
6. Нащокин, В. В. Техническая термодинамика и теплопередача / В. В. Нащокин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Высшая школа, 1975. - 497 с.
7. Варгафтик, Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н. Б. Варгафтик. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Наука, 1972. - 721 с.
8. Чиркин, В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники : справ. / В. С. Чиркин. - М. : Атомиздат, 1967. - 474 с.
9. Справочник химика. В 6 т. / Б. П. Никольский [и др. ]. -2-е изд., перераб. и доп. - Л. : Химия, 1966. - Т. 1. - 1070 с.
10. Ракетные двигатели / М. Баррер [и др.]. - М. : Оборон-гиз, 1962. - 800 с.
11. Архангельский, Ю. С. Справочная книга по СВЧ электротермии / Ю. С. Архангельский. - Саратов : Научная книга, 2011. - 560 с.
12. Лисовский, В. А. Влияние диссоциации молекул газа на горение ВЧ разряда в аммиаке низкого давления / В. А. Лисовский // Вестник Харьковского национального университета. - 2011. - № 969. - С. 46-52.
13. Диэлектрическая проницаемость аммиака как рабочего тела холодильных установок / К. М. Алефьев [и др.] // Вестник Международной академии холода. - 2012. - № 4. - С. 45-49.
14. О температуре газа в плазме электродного СВЧ разряда пониженного давления в водороде / Ю. А. Лебедев, М. В. Мо-кеев // Сборник материалов III Международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии (ISTAPC — 2002), 16-21 сентября 2002, Плес, Россия. - 2002. - Т. 1. - С. 396-399.
ВАВИЛОВ Игорь Сергеевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры авиа- и ракетостроения (АВиРС), научный сотрудник НИЧ НИЛ «ДУМИТ МКА» при кафедре АВиРС. Адрес для переписки: vava-igg@mail.ru КОСИЦЫН Валерий Владимирович, кандидат технических наук, научный сотрудник НИЧ НИЛ «ДУМИТ МКА» при кафедре АВиРС. Адрес для переписки: valera_kositsin@mail.ru
ЛУКЬЯНЧИК Антон Игоревич, ассистент, аспирант кафедры АВиРС.
Адрес для переписки: lukyanchik1991@mail.ru ЯЧМЕНЕВ Павел Сергеевич, ассистент, аспирант кафедры АВиРС.
Адрес для переписки: yachmenev-pavel@mail.ru ВЛАСОВ Артём Сергеевич, студент гр. ПРК-111 факультета транспорта, нефти и газа. ЛЫСАКОВ Александр Викторович, студент гр. ПРК-132 факультета транспорта, нефти и газа.
Статья поступила в редакцию 07.10.2016 г. © И. С. Вавилов, В. В. Косицын, А. И. Лукьянчик, П. С. Ячменев, А. С. Власов, А. В. Лысаков
Книжная полка
Мухин, В. Ф. Специализированные источники питания для дуговой сварки : учеб. текстовое электрон. изд. локального распространения : учеб. пособие / В. Ф. Мухин, Ю. А. Филиппов. -Омск : Изд-во ОмГТУ, 2016. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).
Рассмотрены особенности работы силовых цепей специализированных источников питания. Приведены сведения о серийных источниках питания для сварки неплавящимся и плавящимся электродами в среде защитных газов с использованием импульсных технологических процессов. Даны технические характеристики некоторых инверторных источников питания. Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 15.03.01 и 15.04.01 «Машиностроение», специальности 15.05.01 «Проектирование технологических машин и комплексов», а также может быть полезно для инженеров и специалистов, занятых в области сварочного производства.
Макеев, С. А. Механизмы и механические передачи с функциональными компенсаторами : моногр. / С. А. Макеев, С. Н. Литунов. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2016. - 147 с.
Рассмотрены схемы построения механизмов с упругими функциональными компенсаторами различной формы и конструкции, проанализированы кинематические и силовые условия заделки окончаний упругих стержневых элементов. Выработаны критерии оптимизации и разработаны алгоритмы определения оптимальных размеров звеньев. Показана упрощенная графоаналитическая методика, позволяющая оценить возможность построения устройств с функциональным компенсатором. Проведена проверка достоверности разработанных математических моделей. Монография предназначена для сотрудников машиностроительных конструкторских бюро, научных сотрудников технических вузов, студентов и аспирантов машиностроительных специальностей.
Погосбекян, Ю. Обеспечение качества конструкционных материалов и заготовок в машиностроении. Физико-химические и технологические основы / Ю. Погосбекян. - М. : Ленанд, 2015. - 248 с. - ISBN 978-5-9710-2231-2.
Настоящая книга представляет собой учебное пособие по курсу технологии конструкционных материалов, рассчитанное на углубленное изучение технологии формообразования заготовок в машиностроении. Особое внимание уделяется физико-химическим и технологическим основам обеспечения качества заготовок в машиностроении. Рассмотрено влияние различных физико-химических и технологических факторов на формирование качественных показателей заготовок. Пособие предназначено для подготовки инженеров и магистров машиностроительных специальностей и потому будет полезно студентам, аспирантам и преподавателям технических вузов.
Токмин, А. Выбор материалов и технологий в машиностроении : учеб. пособие / А. Токмин, В. Темных, Л. Свечникова. - М. : Инфра-М, 2016. - 236 c. - ISBN 978-5-16-006377-5.
В настоящем пособии изложены основные сведения о конструкционных и инструментальных материалах, наиболее широко используемых в промышленности, с учетом требований, предъявляемых к ним в условиях эксплуатации. Приведены технологические процессы обработки материалов и факторы, определяющие выбор метода получения заготовки. Даны математические основы принятия оптимальных решений задач применительно к выбору материалов и технологий. Учебное пособие предназначено для студентов высшего образования группы направлений бакалавриата 23.00.00 «Технологии материалов».
