Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cơ cấu đẩy bằng phương pháp MPD (MagnetoPlasmaDynamic)
LỜI NÓI ĐẦU
Trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, các ngành công nghiệp nói chung và ngành công nghệ chế tạo máy nói riêng là một ngành rất quan trọng. Vì chính từ nơi đây các thiết bị máy móc được sản xuất để sau đó đem phục vụ các ngành công nghiệp khác.
Hiện nay khoa học kỹ thuật đang phát triển với tốc độ vũ bão, mang lại những lợi ích to lớn cho con người trong tất cả các lĩnh vực. Trong đó có việc sản xuất ra các máy móc, công cụ đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Mục đích duy nhất trong công cuộc nghiên cứu phát triển của khoa học kỹ thuật đó chính là việc mang lại những lợi ích thiết thực cho con người, tạo ra những sản phẩm, những dịch vụ có chất lượng cao, an toàn trong sử dụng, tất cả mang lại cho con người một cuộc sống hiện đại, văn minh, tiện nghi…
Một trong những sản phẩm luôn cần thiết cho con người và công nghệ khám phá của tương lai là các bộ đẩy thay thế cho các loại đẩy tên lửa gây ô nhiễm môi trường. loại bộ đẩy đang được nghiên cứu này rất có lợi cho tương lai và phương tiện đi lại của tương lai. Vấn đề đặt ra là làm sao chế tạo ra các mô hình khác nhau đáp ứng được các thí nghiệm để có thể đi đến đáp ứng nhu cầu thực tiễn là nhiệm vụ cần thiết.
- Tên đề tài:
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cơ cấu đẩy bằng phương pháp MPD (MagnetoPlasmaDynamic)
- Các số liệu ban đầu:
- Thông số về bộ nguồn, thiết kế bộ đẩy gắn vào xe với lực đẩy vào khoảng từ 1N÷ 2KN, sử dụng năng lượng điện, không gây ô nhiễm môi trường, lực đẩy lớn, có thể áp dụng cho tương lai.
- Năng suất: tự chọn sao cho tối ưu ( tối ưu vòi phun, dễ chế tạo)
- Nội dung thuyết minh tính toán:
- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống đẩy MPD
- Nghiên cứu các phương án tối ưu vòi phun bằng phương pháp so sánh.
- Thiết kế một mô hình vòi phun theo phương pháp đã chọn.
- Nghiên cứu bộ nguồn điện cung cấp
- Thi công mô hình ( không có nguồn điện)
- Hướng dẫn, hướng phát triển của tương lai.
- Các bản vẽ:
- Bản vẽ chi tiết: Tập bản vẽ các chi tiết A3
- Bản vẽ lắp: Bản vẽ lắp toàn bộ mô hình A0
MỤC LỤC
MỤC LỤC.. 1
DANH SÁCH KÝ TỰ.. 6
DANH SÁCH HÌNH.. 10
DANH SÁCH BẢNG BIỂU.. 12
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU.. 13
1.1. Đặt vấn đề. 13
1.2. Nội dung nghiên cứu. 13
1.3. Phương Pháp nghiên cứu. 13
1.4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn. 14
1.4.1.Về mặt khoa học. 14
1.4.1.1. Lý thuyết vật lý. 14
1.4.1.2. Xung lực riêng và vận tốc tương đối. 14
1.4.2. Về mặt thực tiễn. 16
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC CƠ CẤU ĐẨY ĐIỆN VÀ LÝ THUYẾT TẠO LỰC ĐẨY ĐIỆN TỪ. 18
2.1. Giới thiệu về các bộ đẩy điện. 18
2.1.1. Vòi phun phản lực (Resistojets). 18
2.1.2.Vòi phun hồ quang điện (Arcjets). 19
2.1.3. Bộ đẩy Ion (Ion thrusters). 20
2.1.4. Bộ đẩy điện bức xạ trường FEEP (Field emission electric propulsion thrusters). 21
2.1.5. Bộ đẩy xung plasma PPT ( Plused Plasma Thrusters). 21
2.1.6. Mô hình của bộ dẫn động Plasma phóng điện qua tấm chắn cách điện (DBD). 22
2.2. Các loại bộ đẩy động lực từ Plasma MPD (MagnetoPlasmaDynamic). 24
2.2.1. Bộ đẩy trường tự cảm SFMPD (self-field magnetoPlasmaDynamic thrusters). 24
2.2.2. Bộ đẩy MPD trường ứng dụng. 25
2.2.3. Bộ đẩy động lực từ Plasma MPD (MagnetoPlasmaDynamic thrusters). 26
2.3. So sánh tất cả các bộ đẩy điện đang nghiên cứu và sắp nghiên cứu. 28
2.4. Lý thuyết về tạo lực đẩy điện. 28
2.4.1. Khái niệm về Plasma. 28
2.4.2. Nguyên lý điện. 29
2.4.2.1. Lực Coulomb. 29
2.4.2.2. Lực Lorentz. 30
2.4.2.3. Điện trường có ích. 31
2.4.3. Phân phối vận tốc của hạt khí. 31
2.4.4. Quá trình Ion hóa. 32
2.4.4.1. Quá trình phân ly. 32
2.4.4.2. Năng lượng ion hóa. 33
2.4.4.3. Các trường hợp xảy ra ion hóa. 34
2.4.4.4. Những trường hợp tái tổng hợp. 35
2.4.4.5. Mặt cắt của sự giao nhau của hai trường hợp. 37
2.4.4.6. Đường dẫn tự do trung bình. 39
2.4.4.7. Phân bố của đường dẫn tự do. 39
2.4.4.8. Cân bằng ion hóa. 40
2.4.4.8.1. Các hàm số phân vùng. 40
2.4.4.8.2. Phương trình Saha về mức độ ion hóa. 41
2.4.4.8.3. Phương trình Saha cho khí Argon. 42
2.4.4.9. Bức xạ nhiệt. 43
2.4.4.10. Bức xạ từ. 43
2.4.5. Phát xạ điện. 44
2.4.5.1. Phóng điện Townsend. 44
2.4.5.2. Sự ion hóa bằng cách tăng cường điện trường. 44
2.4.5.3. Phóng điện Glow. 44
2.4.5.4. Hồ quang điện. 46
2.4.5.4.1. Hồ quang áp suất thấp. 47
2.4.5.4.2. Hồ quang áp suất cao. 47
2.4.5.4.3. Hiện tượng trên Cathode. 48
2.4.5.4.4. Cột hồ quang dương. 49
2.4.5.4.5. Hiện tượng trên Anode. 50
2.4.6. Tính dẫn của Plasma. 50
2.4.6.1. Chuyển động của điện tích trong điện trường và từ trường. 51
2.4.6.2. Tính dẫn điện nhiệt. 52
2.4.6.3. Tham số môi trường. 53
2.4.7. Dòng chịu nén. 55
2.4.8. Nguyên lý lực đẩy của các loại bộ đẩy điện. 56
2.4.8.1. Bộ đẩy điện nhiệt. 57
2.4.8.2. Bộ đẩy điện từ. 58
2.4.8.2.1. Mô hình động lực học từ khí nhiên liệu MagnetoGasDynamic (MGD). 59
2.4.8.2.2. Máy gia tốc từ trường ngoài. 60
2.4.8.2.3. Máy gia tốc từ trường tự cảm. 61
2.4.8.2.4. Bộ đẩy động lực học từ plasma MPD(MagnetoPlasmaDynamic thrusters). 62
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐẨY MPD MAGNETOPLASMADYNAMIC. 67
3.1. Các hạn chế của việc thiết kế. 67
3.1.1. Nguồn cung cấp. 67
3.1.1.1. Ước tính về điện cảm và điện trở. 69
3.1.1.2. Đo điện cảm và điện trở. 69
3.1.1.3. Mô hình tổng thể. 71
3.1.2. Cung cấp khí và bơm khí. 71
3.2. Các hệ thống phụ trợ. 72
3.2.1. Trang thiết bị đo. 72
3.2.1.1. Dòng điện hồ quang điện. 72
3.2.1.2. Điện áp nguồn điện. 74
3.2.1.3. Thiết bị đo lực đẩy. 74
3.2.2. Hệ thống đánh lửa. 75
3.2.3. Các dạng đầu phun (Nozzle). 76
3.2.3.1. So sánh cấu hình điện cực đang được nghiên cứu. (vòi phun). 76
3.2.3.1.1. Hình dạng vòi phun dạng thẳng. 77
3.2.3.1.2. Hình dạng ống dẫn chụm loe với cổ dẫn khác nhau. 77
3.2.3.1.3. Hình dạng vòi phun thẳng có hai gờ ở đầu. 78
3.2.3.1.4. Hình dạng ống loe với đường kính khác nhau. 79
3.2.3.1.5. Hình vòi phun dạng đường cong. 79
3.2.3.2. Hình dạng tối ưu của vòi phun. 80
3.3. Thiết kế các chi tiết của mô hình. 81
3.3.1. Thiết kế Vòi phun (Nozzle design). 81
3.3.2. Tấm cách điện. 82
3.3.3. Thiết kế Cathode. 83
3.3.4. Thiết kế tấm đế. 84
3.3.5. Thiết kế cuống nối điện. 84
3.3.6. Mô hình 3D tổng thể của bộ đẩy MPD. 85
CHƯƠNG 4: HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM HỆ THỐNG ĐÃ NGHIÊN CỨU. 87
4.1. Điều kiện vận hành bộ đẩy. 87
4.1.1. Điều kiện lõi hồ quang điện. 87
4.1.2. Nhiệt độ trên mặt điện cực. 87
4.2.Mô tả khí động lực. 87
4.2.1. Lực đẩy. 87
4.2.2. Sự tổn thất vật liệu Anode. 88
4.2.3. Dòng nhiên liệu đẩy. 89
4.2.4. Vận tốc xả. 89
4.3. Mô tả điện. 89
4.3.1. Mật độ dòng ion dương trên cathode. 90
4.3.2. Mật độ dòng Electron trên cathode. 90
4.3.3. Điện áp hồ quang gắn liền. 90
4.3.4. Điện áp trên cột dương. 91
4.3.5. Điện áp hồ quang tổng. 91
4.3.6. Mô hình điện. 94
4.4. Mô tả nhiệt. 95
4.4.1. Nhiệt ở Cathode. 95
4.4.2. Nhiệt trên Anode. 95
4.4.3. Dòng nhiên liệu đẩy. 96
4.5. Mô hình hệ thống. 96
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN. 98
5.1. Những vấn đề đạt được. 98
5.2. Những vấn đề chưa đạt được. 98
5.3. Định hướng cho tương lai. 98
Phụ lục A: Tỷ lệ hàm số phân vùng cho Argon. 99
Phụ lục B: A và b0 hằng số vật liệu khác nhau. 100
Phụ lục J: Thông số kỹ thuật của van điện từ khí . 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 103
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1.Đặt vấn đề.
Trong tương lai không xa các nguồn năng lượng mà chúng ta hiện nay đang dùng vào sản suất, đi lại giữa các châu lục, khám phám các hành tinh ngoài vũ trụ, vận tải như là dầu mỏ, than đá, nước. Nhưng nguồn năng lượng này dần dần sẽ bị cạn kiệt và chúng ta cần có giải pháp trong tương lai cho vấn đề năng lượng thay thế cho các năng lượng mà chúng ta đang sử dụng. Và nguồn năng lượng rất lớn có thể thay thế là năng lượng nguyên tử, nhưng nó lại rất nguy hiểm và ô nhiễm môi trường.
Một loại vật chất được phát hiện tiềm ẩn khả năng thay thế và mang trữ lượng lớn, năng lượng cao là Plasma. Loại vật chất này chiếm tới 99% trong vũ trụ.
Trong đồ án này chúng em đã tập trung nghiên cứu một số vấn đề liên quan tới plasma, nghiên cứu động lực mà nó tạo ra khi kết hợp dòng điện lớn, từ trường và lực lorentz để tạo ra một bộ đẩy động lực học từ plasma viết tắt là MPD (MagnetoPlasmaDynamic). Khi bộ đẩy này được thí nghiệm thành công nó sẽ mang lại rất nhiều hữu ích cho cuộc sống và ứng dụng thiết thực trong tương lai.
Nhận thấy tầm quan trọng trong một thí nghiệm thực tế, phục vụ nghiên cứu và học tập, được sự hướng dẫn của TS. Trần Ngọc Đảm, nhóm sinh viên chúng em gồm Nguyễn Ngọc Duy và Nguyễn Quốc Hiền đã cùng nhau nghiên cứu đề tài : “ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cơ cấu đẩy bằng phương pháp MPD (MagnetoPlasmaDynamic) ”.
1.2. Nội dung nghiên cứu.
Tìm hiểu:
- Tìm hiểu về Plasma, động lực học Plasma, các loại bộ đẩy điện nhiệt, và một số loại bộ đẩy MPD.
- Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo vòi phun của bộ đẩy bằng phương pháp MPD.
- Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một mô hình bộ đẩy theo vòi phun đã được tối ưu.
1.3. Phương Pháp nghiên cứu.
- Phương pháp phân tích tài liệu: Tham khảo từ sách báo, giáo trình, các tạp chí và Internet.
- Điều tra thực tế: Tham quan tại các xưởng về nguyên lý hoạt động của máy cắt, máy hàn Plasma, tham khảo kinh nghiệm của công nhân dưới xưởng sản xuất.
- Phương pháp tổng hợp: Từ các nguồn thông tin tổng hợp từ hai phương pháp trên, tiến hành xử lý, đề xuất phương án, nguyên lý hoạt động, thiết bị phụ trợ, thực hiện thiết kế mô hình.
1.4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn.
1.4.1.Về mặt khoa học.
1.4.1.1. Lý thuyết vật lý.
Các phân tích vật lý của các chuyến bay không gian, được trình bày trong vật lý động cơ đẩy điện, và được dựa trên các phương trình khối lượng gia tốc.
Phân tích này bắt đầu với phương trình lực quen thuộc, các lực được truyền bằng khối lượng của một vật thể được gia tốc nhân với gia tốc của nó.
(1-1)
Phương trình này có thể được viết lại để thể hiện cho lực đẩy một vật:...................................................................
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC CƠ CẤU ĐẨY ĐIỆN VÀ LÝ THUYẾT TẠO LỰC ĐẨY ĐIỆN TỪ.
Các nguyên lý cơ bản và phương thức hoạt động đằng sau động cơ đẩy điện có thể không hiểu rõ bên ngoài nhưng có thể được hiểu rõ sâu nếu chúng ta am hiểu và nghiên cứu về nó, thiết kế hệ thống như vậy, và đã được xem xét trong phạm vi kỹ thuật nói chung không thể tiếp cận khoa học "tên lửa", tuy nhiên từ một vài nguyên lý nền tảng và cơ bản thì một sự hiểu biết công việc của các hệ thống bộ đẩy vừa tinh vi vừa hiện đại có thể thu được. Trình bày trong các phần dưới đây là một bản tóm tắt chung, các nguyên lý đó sẽ được sử dụng sau này để mô tả và nghiên cứu hoạt động của các bộ đẩy như vậy.
2.1. Giới thiệu về các bộ đẩy điện.
2.1.1. Vòi phun phản lực (Resistojets).
Bộ đẩy điện này là một trong những bộ đẩy đơn giản đã được nghiên cứu. Vòi phun phản lực bao gồm một khoan nhiệt, một phần tử gia nhiệt rắn và một đầu phun. Vòi phun phản lực là một loại của các bộ đẩy nhiệt điện mà nó làm việc dựa trên nguyên tắc gần nhất của những bộ đẩy hóa học. Sự khác nhau là trong bộ đẩy hóa học, việc gia nhiệt cho nhiên liệu được mang lại bằng cách giải phóng năng lượng hóa học, ngược lại trong các bộ đẩy nhiệt điện bộ gia nhiệt được cung cấp bởi năng lượng điện.
Khi nhiệt độ của bộ gia nhiệt bị giới hạn bởi nhiệt độ nóng chảy của nó, nhiệt độ của nhiên liệu trong các bộ đẩy nhiệt điện như vậy thấp hơn trong các bộ đẩy hóa học. Thông thường nó trong mức khoảng từ 2000-2500K.
Bằng việc sử dụng những nguyên liệu với Mw nhỏ trong các bộ đẩy như vậy, vận tốc xả khí có thể được tạo ra lớn hơn trong các bộ đẩy hóa học........................
2.1.2.Vòi phun hồ quang điện (Arcjets).
Vượt qua những hạn chế của những bộ đẩy nhiệt điện (xung lực riêng đặc biệt tương đối thấp) là việc thay thế việc gia nhiệt bề mặt của nhiên liệu bằng việc gia nhiệt thể tích. Sự phóng điện được duy trì giữa anode và cathode mà điều này tại một thời gian giống nhau thực hiện chức năng của một đầu phun Laval. Nhiệt độ của plasma có thể đạt từ 5000-10000 oC, điều này cho phép một sự gia tăng cho việc duy trì trong các xung lực riêng của bộ đẩy.
Việc chuyển đến các nhiệt độ cao hơn kéo theo một sự gia tăng của năng lượng mất đi bởi vì có 3 lý do sau đây:
- Nhiệt chuyển tới anode
- Sự phân ly và sự ion hóa của nhiên liệu
- Sự bức xạ
Điều này là lý do tại sao hiệu suất toàn phần cường độ dòng điện của vòi phun hồ quang vượt quá 30-40%.
Tuy nhiên, những bộ đẩy này bay trong không gian và duy trì ở tốc độ bay tương đối cao theo nghiên cứu và phát triển. Điều này có thể được giải thích bởi một số yếu tố sau:
- Vòi phun hồ quang điện có kích thước và khối lượng nhỏ. Các thiết kế của nó có thể được tăng lên hay giảm xuống trong giới hạn từ vài trăm W đến vài trăm KW.
- Năng lượng cần thiết có thể được cung cấp bằng việc sử dụng những bộ chuyển đổi rẻ và nhẹ của điện áp bảng mạch thành điện áp làm việc cụ thể.
Một yếu tố rất quan trọng là nhiên liệu có thể dựa trên những vật liệu rẻ tiền và có sẵn, một vài nhiên liệu có thề dễ dàng cất trữ : NH3, N2H4,…..
Nếu trên boong một phi thuyền chúng ta cần các bộ đẩy cho việc cung cấp những xung lực riêng khác nhau ví dụ như khi một sự chuyển đổi là cần thiết từ một quỹ đạo thấp đến một quỹ đạo cao hơn, thì chúng ta có thể sử dụng một vòi phun phản lực và vòi phun hồ quang điện có hệ thống lưu trữ và cấp nhiên liệu.
