авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

«МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ОПИСАНИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОМ ...»

-- [ Страница 2 ] --

Изучение кометы Галлея «Веги» и комета Галлея двигались на встречных курсах и скорость сближения пре вышала 70 км/с. Если бы аппараты опоздали хотя бы на час, то отклонение при сближении составило бы порядка 100 тыс. км. Трудность состояла ещ и в том, что заранее невоз можно было рассчитать траекторию движения кометы с необходимой точностью. Уточне ние орбиты кометы продолжалось вплоть до прохождения «Вег» мимо е ядра. Благодаря информации, полученных от «Вег», удалось более точно подвести к комете европейский аппарат «Джотто» (на расстояние около 600 км).

6 и 9 марта 1986 «Веги» прошли на расстоянии 8890 и 8030 км от ядра кометы.

«Веги» передали около 1500 снимков внутренних областей кометы Галлея и ее яд ра, информацию о пылевой обстановке внутри кометы, характеристиках плазмы, измери ли темп испарения льдов (40 тонн в секунду в момент пролта «Вег») и другие данные.

Изображения ядра кометы были получены впервые в истории. Кроме того, аппараты об наружили наличие сложных органических молекул.

Методические указания студентам при подготовке к лабораторной работе и в процессе ее выполнения 1. Лабораторная работа проводятся в учебной лаборатории.

2. При подготовке к лабораторной работе студенты должны изучить необходимый лекционный материал и рекомендованную учебную литературу.

3. В процессе самоподготовки на лабораторной работе студенты должны:

изучить целевое назначение, технические характеристики АМС, устройство и принципы работы его основных модулей и систем;

подготовится к сдаче зачета по лабораторной работе.

В качестве привлекаемых для выполнения лабораторных работ средств использу ется следующее учебно-методическое обеспечение:

1. Учебно-методическая литература:

Космонавтика, энциклопедия. М., 1985.

Гущин В.Н. Основы устройства и конструирования космических аппаратов. М.:

Издательство «Машиностроение», 2003.

Новиков В.Н., Вейтин В.Е. Введение в ракетно-космическую технику. – М.:

Изд-во МАИ. 1997.

2. Методическая записка к лабораторной работе по АМС «Вега».

3. Препарированный образец АМС «Вега» в учебной лаборатории.

ГЛАВА 4. КОНСТРУКЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Лабораторная работа № КОНСТРУКЦИИ ОТСЕКОВ КОРПУСА Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Тема лабораторной работы: изучение конструкций отсеков корпусов космических и атмосферных летательных аппаратов. Проводится в лаборатории кафедр 601 и 602 с при влечением препарированных образцов ракет различных классов.

Цели работы Закрепление студентами на практике теоретических знаний, полученных на лекци онных занятиях, на примере изучения конструкций отсеков корпусов космических и атмо сферных летательных аппаратов различных классов. Раздел курса дисциплины – тема «Конструкции космических летательных аппаратов», раздел 2.1 «Конструкции корпуса»

Изучаемые вопросы:

1. Возможные конструктивно-силовые схемы корпусов 2. Состав, назначение и работа силовых элементов 3. Возможные технологические концепции корпусов 4. Стыки отсеков 5. Области применения конструкций 6. Исследование несущей способности панелей корпусов аэрокосмических ЛА при комплексном воздействии тепловых и силовых нагрузок (см. раздел «Описание выполне ния экспериментов по исследованию несущей способности плоских и оболочечных кон струкций аэрокосмических ЛА на специализированном учебно-научном оборудовании – экспериментальной установке «Импульс-1») Основные положения Назначение корпуса – размещение в его отсеках различного оборудования, топли ва, полезной нагрузки и во многих случаях двигательной установки. Вместе с тем корпус – это силовая основа для крепления бортового оборудования и внешних агрегатов ЛА – крыла, оперения, двигателей, шасси, антенн, солнечных батарей и других устройств. В си ловом отношении корпус представляет собой сильно нагруженную конструкцию.

Обобщенной характеристикой корпуса является его конструктивная схема, отра жающая взаимное положение основных силовых элементов конструкции (обшивки, про дольного и поперечного силового набора), которые воспринимают нагрузки, действующие на корпус;

их конструктивное оформление;

методы изготовления и соединения между со бой этих элементов. По силовой схеме и конструкции корпус является наиболее сложным агрегатом конструкции ЛА.

Конструктивные схемы корпусов летательных аппаратов можно разделить на ферменные, балочные и смешанные (ферменно-балочные). Для космических аппаратов наиболее часто применяются балочные корпуса и стержневые конструкции – фермы, зача стую лишенные оболочки. Тот или иной тип корпусной конструкции выбирается из сооб ражений минимума ее массы при удовлетворении известных эксплуатационных требова ний и требований технологического характера.

Конструкция балочного корпуса состоит из жесткой обшивки, продольного набора (лонжеронов и стрингеров) и поперечного набора – шпангоутов.

Обшивка образует форму отсека, ограничивает его внутренний объем, при необхо димости защищая его от воздействия факторов окружающей среды. Как самостоятельный силовой элемент обшивка работает на растяжение, в частности, от внутреннего давления.

В сочетании с силовым набором обшивка воспринимает и передает на элементы силового набора практически все виды воздействующих нагрузок и напряжений. Относительный вклад обшивки в работу конструкции корпуса в этих случаях зависит от толщины обшив ки, частоты силового набора, характера соединения между обшивкой и элементами набо ра.





Стрингеры — продольные элементы, подкрепляющие обшивку — воспринимают совместно с обшивкой осевые нагрузки и изгибающие моменты, действующие на отсек. В частности, при воздействии сжимающих нагрузок они благодаря развитой форме попе речного сечения существенно повышают критические напряжения потери устойчивости обшивки. Помимо осевых усилий стрингеры через обшивку воспринимают и распреде ленные поперечные нагрузки, например от внешнего аэродинамического давления;

при этом шпангоуты служат опорами для стрингеров.

Лонжероны — мощные продольные элементы силового набора, воспринимающие сосредоточенные продольные и изгибающие нагрузки большой интенсивности (например, от узлов крепления двигателей, смежных отсеков и агрегатов), а также обеспечивающие усиление корпуса в местах вырезов, равноценное ненарушенным зонам.

Шпангоуты в конструкциях КЛА бывают, как правило, замкнутые, кольцевые. По назначению различают: торцевые (стыковочные) шпангоуты, подкрепляющие край отсека корпуса и обеспечивающие надежное соединение его со смежными конструкциями, и промежуточные, подкрепляющие обшивку на участке между торцевыми шпангоутами и обеспечивающие сохранение формы поперечного сечения отсека. В корпусах, работаю щих на сжатие и изгиб, промежуточные шпангоуты позволяют повысить общие критиче ские напряжения потери устойчивости за счет уменьшения длины участка между опора ми.

Все балочные корпуса в зависимости от степени участия в силовой работе отдель ных элементов можно подразделить на лонжеронные и стрингерные (корпуса типа полу монокок) и бесстрингерные (корпуса типа монокок), рис.1.

Рис. 1. Конструктивные схемы корпусов В лонжеронных конструкциях (рис. 1а) состоящих из обшивки мощных лонжеро нов и слабого набора стрингеров и шпангоутов, изгибающий момент и осевая сила вос принимается преимущественно продольными элементами, а сравнительно тонкая обшивка работает на сдвиг от перерезывающей силы и крутящего момента. Такие силовые схемы могут быть использованы в конструкции приборных отсеков, отсеков для размещения це левого груза, отсеков с двигательной установкой. Они часто имеют различные вырезы (люки) больших и малых размеров для подходов к оборудованию при монтажных и про верочных работах. Чтобы исключить ослабление жесткости оболочки и уменьшить кон центрацию напряжений в зоне вырезов, люков, их окантовывают соответствующим под креплением. Для восприятия и передачи значительных сосредоточенных осевых сил (например, от узлов подвески двигателя) лонжеронная схема может оказаться в ряде слу чаев наиболее целесообразной.

Стрингерный корпус (см. рис. 1б) выполняется в виде тонкостенной оболочки, подкрепленной стрингерами и шпангоутами. Изгибающий момент и осевая сила воспри нимаются в основном стрингерами. Обшивка, придавая корпусу заданные обводы, вос принимает местные нагрузки, перерезывающую силу и крутящий момент, участвует сов местно со стрингерами в восприятии изгибающего момента. Благодаря подкреплению она работает с высокими напряжениями сжатия и сдвига. По такой схеме могут быть выпол нены хвостовые, приборные и баковые отсеки корпуса при помощи заклепочных, свар ных, клеевых и клеесварных соединений. В стрингерной конструкции корпуса также при меняют монолитные прессованные или горячештампованные панели и оболочки, когда обшивка выполняется заодно с силовым набором.

Самые простые по конструкции — бесстрингерные корпуса из однородного метал лического или неметаллического материала — однослойные монококи. Они состоят лишь из двух элементов: обшивки и шпангоутов (рис. 1в), причем во многих случаях шпангоу ты используются только для стыковки отсеков корпуса, а нормальные шпангоуты оказы ваются излишними. Все внешние силовые факторы (поперечные силы, изгибающий и крутящий моменты) воспринимает обшивка, т. е. на нее перекладываются функции стрин геров (лонжеронов). В местах выреза обшивки и в местах приложения сосредоточенных нагрузок в таких корпусах устанавливают стрингеры или другие усиливающие элементы.

Обшивка может быть изготовлена из листа, литьем вместе со шпангоутами или методом прессования. В настоящее время наряду с металлическими находят широкое применение отсеки корпусов из различных неметаллических материалов. Их изготовляют намоткой или методом прессования в разъемных пресс-формах.

Основное применение такие конструкции находят на ЛА малых диаметров. Это объясняется тем, что с увеличением диаметра критические напряжения потери устойчиво сти оболочки уменьшаются. При больших значениях диаметра материал такой конструк ции работает с невысокой отдачей и ее масса возрастает.

Более высокой несущей способностью (при той же массе) обладают бесстрингер ные конструкции с многослойной обшивкой — многослойные монококи (см. рис. 1г).

Обычно применяют трехслойные обшивки, состоящие из двух разнесенных тонких несу щих слоев из прочного материала (металла или пластика), соединенных между собой сравнительно малопрочным, но легким заполнителем. В качестве заполнителя использу ются пенопласты и ребристые конструкции – соты, гофры из пластиков, алюминиевой или стальной фольги и др. Преимуществом трехслойных конструкций является их высокая жесткость, гладкая поверхность, незначительная масса. По сравнению с наборными (кар касными) конструкциями выигрыш может достигать 15–20%. Однако по надежности и технологичности они пока еще уступают наборным конструкциям.

Технологические концепции балочных корпусов.

Основные отсека корпуса определяются в большой степени способом соединения элементов, образующих конструктивно-силовую схему и в первую очередь способом со единения обшивки с силовым набором. Для традиционных корпусов, имеющих металли ческую листовую обшивку и металлический силовой набор, наибольшее практическое применение имеет соединение их между собой с помощью клепки и сварки.

К прогрессивным конструктивно-технологическим решениям относят конструкции в виде монолитных секций (ребристых или вафельных секций) (рис. 2), которые приме няются с целью уменьшения количества соединений, улучшения совместности восприя тия нагрузок обшивкой и подкрепляющим набором и, следовательно, уменьшения массы конструкции в сильнонагруженных корпусных конструкциях. В монолитных секциях об шивка и подкрепляющие ее ребра жесткости представляют единое целое. Они чаще всего изготавливаются из толстых плит методами химического фрезерования, электрохимиче ской обработки или механической обработкой.

Рис. 2. Монолитная секция К прогрессивным решениям относят также гофрированные обшивки (рис. 3). Они обладают хорошей эффективностью по массовым характеристикам в конструкциях, рабо тающих на сжатие и изгиб, вследствие того, что гофрированный лист имеет значительно больший момент инерции относительно средней линии обшивки, чем гладкий лист той же толщины, в то время как масса его увеличивается в сравнении с гладким листом незначи тельно. Гофрированные обшивки технологичнее, чем монолитные, и обеспечивают луч шее использование металла, так как изготавливаются из плоского листа путем его гибки или штамповки.

Рис.3. Элемент гофрированной обшивки Трехслойные обшивки с заполнителем эффективны в корпусных конструкциях, ра ботающих на внешнее давление, сжатие при условии обеспечения достаточно прочного соединения между несущими слоями и заполнителем, а также при повышенных требова ниях к жесткости обшивки (сохранению формы под нагрузкой).

Обеспечивается это тем, что сравнительно тонкие несущие слои из высокопрочного материала, разделенные суще ственно более толстым слоем заполнителя, в качестве которого используются обычно ма териалы или конструктивные элементы низкой плотности, образуют конструктивную си стему, имеющую момент инерции сечения значительно больший, чем однослойная об шивка такой же массы. Благодаря большому моменту инерции такие обшивки имеют вы сокие критические напряжения устойчивости, а также хорошую прочность и жесткость на изгиб. Они хорошо работают и на сдвиг.

Методические указания студентам при подготовке к лабораторной работе и в про цессе ее выполнения:

1. Лабораторная работа проводятся в учебных лабораториях.

2. При подготовке к лабораторной работе студенты должны изучить необходимый лекционный материал и рекомендованную учебную литературу.

3. В процессе самоподготовки на лабораторной работе студенты должны:

изучить конструкции отсеков корпуса КЛА;

разработать эскиз конструкции отсека корпуса КЛА;

подготовится к сдаче зачета по лабораторной работе.

В качестве привлекаемых для выполнения лабораторных работ средств использу ется следующее учебно-методическое обеспечение:

1. Учебно-методическая литература:

Гущин В.Н. Основы устройства и конструирования космических аппаратов. М.:

Издательство «Машиностроение», 2003.

Конструкция и проектирование космических летательных аппаратов. / Н.И. Па ничкин, Ю.В. Слепушкин, В.П. Шинкин, Н.А. Яцынин. – М.: Машиностроение.

1986.

Голубев И.С., Самарин А.В. Проектирование конструкций летательных аппара тов. Учебник. – М.: Машиностроение. 1991.

2. Методическая записка к лабораторной работе по конструкциям корпусов ЛА.

3. Альбомы конструкций ЛА (в методическом кабинете).

4. Препарированные КЛА в учебной лаборатории каф.601.

5. Фрагменты конструкций корпусов ЛА в учебной лаборатории.

Лабораторная работа № КОНСТРУКЦИИ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА.

Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Тема лабораторной работы: изучение конструкций РДТТ космических и атмосфер ных летательных аппаратов. Проводится в лаборатории кафедр 601 и 602 с привлечением образцов РДТТ космических аппаратов и ракет различных классов.

Цель лабораторной работы Закрепление студентами на практике теоретических знаний, полученных на лекци онных занятиях, на примере изучения конструкций ракетных двигателей твердого топлива космических и атмосферных летательных аппаратов различных классов. Раздел курса дисциплины – тема 3 «Конструкции двигательных установок космических ЛА», раздел 3. «Ракетные двигатели твердого топлива»

Изучаемые вопросы:

1. Возможные компоновочные и конструктивно-силовые схемы РДТТ 2. Состав и назначение элементов конструкции РДТТ 3. Возможные технологические концепции 4. Стыки 5. Области применения конструкций Основные положения.

Конструкция РДТТ представляет собой высокопрочную емкость, состоящую из камеры сгорания, в которой размещается топливный заряд, и соплового блока (с одним или несколькими соплами), через который истекают высокотемпературные газы, образу ющиеся при горении топливного заряда. Для осуществления воспламенения топливного заряда в камере размещается воспламенитель из быстрогорящего пиротехнического со става, обеспечивающего нагрев и возгорание топливного заряда. Типовая конструктивная схема РДТТ показана на рис.1.

Рис. 1. Конструктивная схема РДТТ с одноканальным зарядом:

1 – переднее днище;

2 – корпус двигателя;

3 – заряд топлива;

4 – заднее днище;

5 – сопло;

6 – графитовый вкладыш;

7 – диафрагма;

8 – воспламенитель;

9 – электрозапал Конструктивно-компоновочные схемы РДТТ. В зависимости от программы тяги РДТТ по времени различают:

– двухрежимные и двухкамерные РДТТ (рис. 2), в которых одна из камер может включаться по дополнительной команде и создавать необходимый в конкретный момент импульс тяги;

Рис. 2. Схемы двухрежимных РДТТ:

а – однокамерный;

б – однокамерный с двухпозиционным соплом;

в – двухкамерный с промежуточным соплом;

г – двухкамерный с промежуточным днищем и газоводом – РДТТ многократного включения (рис. 3);

Рис. 3. Схема РДТТ многократного включения с многосекционным зарядом:

1 – секция заряда;

2 – термоизоляционные перегородки;

3 – воспламенитель первой сек ции;

4 – система повторного воспламенения заряда – командное управление тягой РДТТ, которое достигается либо изменением расхо да продуктов сгорания через сопло двигателя путем дискретного регулирования площади критического сечения сопла Fкр и давления в камере двигателя рк либо регулированием скорости горения твердых топлив.

По принципу работы устройства управления вектором тяги РДТТ по направлению можно разделить на следующие группы:

– устройства, отклоняющие сверхзвуковой поток в сопле и за его пределами меха ническими средствами (газовые рули, управляющие щитки (интерцепторы), поворотные кольцевые рули и насадки (дефлекторы);

– устройства, отклоняющие сопла (поворотные, качающиеся, разрезные и вращаю щиеся управляющие сопла);

– устройства с инжекцией жидкости или газа в сверхзвуковую часть сопла (инжек ционные сопла).

Конструкции соединения обечайки и днищ. Обязательным элементом конструк ции РДТТ являются стыковые узлы, основными из которых являются узлы для соедине ния обечайки и днищ. На практике наибольшее применение находят сварные, резьбовые, болтовые соединения и соединения с помощью гибкой рейки.

Самым экономичным, простым и надежным является сварное соединение. Оно технологичнее и легче любого разъемного соединения. Однако его нельзя рассматривать как универсальное хотя бы по той причине, что соединение одного из днищ с обечайкой часто бывает разъемным. Разновидности разъемных соединений приведены на рис. 4, 5.

Резьбовые соединения (рис. 4а) включают следующие элементы: шпангоут 3;

пе реднее днище 6 или сопловой блок;

обечайку камеры сгорания 4;

смежный отсек 1, анкер ные гайки 2, уплотнительную прокладку 5.

Рис. 4. Соединение днища и обечайки: а – резьбовое, б – фланцевое Резьба не герметизирует соединение и не обеспечивает требуемую точность по пе рекосу осей соединяемых элементов. Для герметизации применяют уплотнительные про кладки, а для повышения точности делаются цилиндрические пояски, обработанные по допускам 7-го или 8-го квалитета. Этим обеспечивается хорошая соосность соединяемых элементов конструкции, уменьшается эксцентриситет тяги. Наиболее часто соединения такого вида применяются для двигателей сравнительно небольших диаметров (D мм).

Для РДТТ больших диаметров применяют фланцевое (болтовое, шпилечное) со единение, представленное на рис.7,б, которое включает заряд твердого топлива 5, обечай ку камеры сгорания 4, шпангоут 3, крышку (переднее днище) 8, шпильку (или болт) 2, уплотнительную прокладку 1, упорное кольцо 7 (фиксатор заряда), резиновые прокладки (амортизаторы) 6.

Шпангоут 3, как и в случае резьбового соединения, выполняется отдельно от обе чайки 4, так как его толщина больше толщины обечайки. Затем элементы 3 и 4 сваривают ся. Осадку трубы для этих целей делать нецелесообразно. Шаг шпилек (болтов) выбирает ся из условия обеспечения герметизации (обычно не более 60 мм). Уплотнительные про кладки 1 выполняются из алюминия или меди. Шпильки 2 устанавливаются с зазором, иначе сложно обеспечить сборку соединения.

Соединение с помощью гибкой рейки (рис.5) включает обечайку 1, шпангоут 2, днище 3, уплотнительный шнур 4 и гибкую рейку 5. Такое соединение легче фланцевого болтового. Его недостатки: трудности герметизации и концентрация напряжений в зоне кольцевой канавки.

Рис.5. Соединение днища и обечайки с помощью гибкой рейки Сопловой блок. Типичная конструкция сопла современного космического РДТТ представлена на рис. 6. Стенка сопла состоит из нескольких слоев различных материалов.

Каждый из них выполняет вполне определенную функцию. Наружная оболочка (рубашка) сопла является его основным силовым элементом. Она изготавливается из высокопрочных сталей, титановых и алюминиевых сплавов, а также армированных пластиков. От тепло вого и эрозионного воздействия газового потока рубашку защищает внутренняя оболочка, непосредственно соприкасающаяся с горящим газом. Особо интенсивному тепловому и эрозионному воздействию подвергается горловина сопла, ее обычно изготавливают из графита.

Рис.6. Сопловой блок Методические указания студентам при подготовке к лабораторной работе и в про цессе ее выполнения:

1. Лабораторная работа проводятся в учебных лабораториях.

2. При подготовке к лабораторной работе студенты должны изучить необходимый лекционный материал и рекомендованную учебную литературу.

3. В процессе самоподготовки на лабораторной работе студенты должны:

изучить конструкции РДТТ КЛА;

разработать эскиз конструкции РДТТ КЛА;

подготовится к сдаче зачета по лабораторной работе.

В качестве привлекаемых для выполнения лабораторных работ средств использу ется следующее учебно-методическое обеспечение:

1. Учебно-методическая литература:

Гущин В.Н. Основы устройства и конструирования космических аппаратов. М.:

Издательство «Машиностроение», 2003.

Голубев И.С., Самарин А.В. Проектирование конструкций летательных аппара тов. Учебник. – М.: Машиностроение. 1991.

2. Методическая записка к лабораторной работе по конструкциям РДТТ.

3. Альбомы конструкций ЛА (в методическом кабинете).

4. Образцы РДТТ КЛА и ракет различных классов в учебных лабораториях.

5. Фрагменты конструкций РДТТ в учебных лабораториях.

Лабораторная работа № КОНСТРУКЦИЯ ТОПЛИВНЫХ БАКОВ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК С ЖРД Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Тема лабораторной работы: изучение конструкций топливных баков двигательных установок (ДУ) с ЖРД космических и атмосферных летательных аппаратов. Проводится в лаборатории с привлечением образцов баков космических аппаратов и ракет различных классов.

Цели работы Закрепление студентами на практике теоретических знаний, полученных на лекци онных занятиях, на примере изучения конструкций топливных баков ДУ с ЖРД космиче ских и атмосферных летательных аппаратов различных классов.

Раздел курса дисциплины – тема 3 «Конструкции двигательных установок космических ЛА», раздел 3.4 «Двигательные установки с жидкостными ракетными двигателями»

Изучаемые вопросы:

1. Возможные компоновочные и конструктивно-силовые схемы топливных баков 2. Состав и назначение элементов конструкции топливных баков 3. Возможные технологические концепции 4. Стыки 5. Области применения конструкций Основные положения.

Выбор компоновочной и конструктивно-силовой схем баков во многом определя ется заданным обликом ЛА. Особенно это относится к компоновочной схеме, определяю щей геометрию баков и их расположение на КЛА. При выборе конструктивно-силовой схемы основные ограничения связаны с требованиями прочности, технологии производ ства, эксплуатации и стоимости конструкции. Рациональной является схема, в которой действующие силы замыкаются на возможно более коротком участке при помощи эле ментов, работающих преимущественно на растяжение или сжатие, а не на изгиб. Важным признаком рациональной конструкции является ее компактность. Полезное использование объема уменьшает габариты и массу баков.

Топливные баки, применяемые на КЛА, могут являться конструктивной частью корпуса или устанавливаться внутри КЛА. В первом случае баки подвергаются воздей ствию внешних сил и нагрузок, действующих на аппарат, и называются несущими. Во втором случае баки не воспринимают внешних нагрузок, поэтому называются ненесущи ми. Такие баки применяются обычно в тех случаях, когда, например, необходимо тепло изолировать конструкцию баков. Иногда топливные баки подвешиваются под КЛА, например, на этапе выведения КА на орбиту РН, и сбрасываются после опорожнения, что позволяет уменьшить массу КЛА. Такие баки называются сбрасываемыми или отделяе мыми.

Наиболее распространены баки цилиндрической формы, так как при заданном объеме у них наименьшая площадь поперечного сечения. Шаровые баки легче цилиндрических, но они менее удобны с точки зрения крепления на КЛА. В некоторых случаях по требовани ям компоновки ЛА могут применяться эллипсоидальные, тороидальные или более слож ные топливные баки.

Конструктивно-силовая схема баков образуется обечайкой, днищами, шпангоутами и узлами крепления. Обечайка представляет собой тонкостенную оболочку, выполняемую обычно из листового материала штамповкой и сваркой. В баках больших диаметрах при сутствует продольный набор;

в баках малых диаметров он может отсутствовать, так как устойчивость обечайки обеспечивается внутренним избыточным давлением, которое уменьшает сжимающие меридиональные напряжения, возникающие в обечайке бака под действием внешних силовых факторов. Однако наличие поперечных элементов — шпан гоутов — оказывает влияние на устойчивость обечайки. На рис. 1 представлена конструк ция бака небольшого диаметра, выполненного в виде гладкой листовой оболочки с под крепляющими шпангоутами.

Рис. 1. Конструкция топливного бака в виде гладкой листовой оболочки с подкрепляю щими шпангоутами:

1 — переднее днище;

2 — штуцер;

3 — передний стыковой шпангоут;

4 — упорный кронштейн;

5 — обечайка;

6 — сильфонный компенсатор;

7 — шпангоут, 8 — дренажная труба;

9 — туннельная груба;

10 — хомуты крепления;

11 — заднее днище;

12 — задний стыковой шпангоут;

13 — фланец сливного отверстая;

14 — конус воронкогасителя;

15 — указатель наполнения;

16 — фланец люка На рис. 2 показана конструкция бака большого диаметра, выполненного в виде вафельной оболочки. Вафельные оболочки нашли широкое применение в конструкциях несущих ба ков и других герметичных емкостей. Помимо уменьшения массы они обеспечивают большую надежность сохранения герметичности, поскольку на герметичность корпуса, изготовленного из них, в меньшей степени влияет качество технологии сборки.

Рис. 2. Фрагмент конструкции топливного бака вафельной конструкции Днища баков выполняются в виде эллипсоидов вращения (обычно с соотношением осей 1:2:2), что позволяет рационально использовать объем корпуса и получать днища, толщина которых мало отличается от толщины обечайки. Днища баков изготавливаются подобно обечайке.

Шпангоуты в баках применяются для придания баку необходимой формы и повы шения его жесткости и устойчивости. В баках больших удлинений шпангоуты работают на сжатие, возникающее вследствие деформации корпуса при изгибе. Расстояние между шпангоутами выбирается с учетом местной и общей потерь устойчивости обечайки бака.

При выборе материала для топливных баков помимо механических характеристик следует особо обращать внимание на коррозионно-стойкость по отношению к применяемым ком понентам топлива. Для баков, предназначенных для хранения окислителей, используются алюминиевые сплавы АМг6, АМг6Н, АМг6М, АМг6НН и др., коррозионно-стойкие ста ли, легированные хромом и никелем, типа Х18Н9Т. 12Х18Н10Т, 12Х18Н10Т-ВД а также титановые сплавы ВТ1-Д, ВТ2, ВТ5 и др. Баки для неагрессивных компонентов топлива изготавливают из АМгб-Т, 25ХГСА, СН-2, СН-4А, ВТ6 и других сплавов.

Методические указания студентам при подготовке к лабораторной работе и в про цессе ее выполнения:

1. Лабораторная работа проводятся в учебных лабораториях.

2. При подготовке к лабораторной работе студенты должны изучить необходимый лекци онный материал и рекомендованную учебную литературу.

3. В процессе самоподготовки на лабораторной работе студенты должны:

изучить конструкции топливных баков ДУ с ЖРД;

разработать эскиз конструкции топливного бака;

подготовится к сдаче зачета по лабораторной работе.

В качестве привлекаемых для выполнения лабораторных работ средств используется сле дующее учебно-методическое обеспечение:

1. Учебно-методическая литература:

Гущин В.Н. Основы устройства и конструирования космических аппаратов.

М.: Издательство «Машиностроение», 2003.

Голубев И.С., Самарин А.В. Проектирование конструкций летательных ап паратов. Учебник. – М.: Машиностроение. 1991.

2. Методическая записка к лабораторной работе по конструкциям топливных баков 3. Альбомы конструкций ЛА (в методическом кабинете).

4. Препарированные КЛА и ракет различных классов КЛА с ДУ ЖРД в учебных лабора ториях.

5. Фрагменты конструкций топливных баков в учебных лабораториях.

Лабораторная работа № КОНСТРУКЦИИ КРЫЛЬЕВ Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Тема лабораторной работы: изучение конструкций крыльев аэрокосмических и ат мосферных летательных аппаратов. Проводится в лаборатории с привлечением препари рованных образцов ракет различных классов.

Цели работы Закрепление студентами на практике теоретических знаний, полученных на лекци онных занятиях, на примере изучения конструкций крыльев ракет различных классов.

Раздел курса дисциплины – тема 2 «Конструкции космических летательных аппаратов», раздел 2.5 «Конструкции несущих поверхностей Изучаемые вопросы:

1. Возможные конструктивно-силовые крыльев 2. Состав, назначение и работа силовых элементов крыла 3. Возможные технологические концепции крыльев 4. Стыки крыла с корпусом ЛА 5. Области применения конструкций 6. Исследование несущей способности панелей крыльев и стабилизаторов аэро космических ЛА на комплексное воздействие тепловых и силовых нагрузок (см. раздел «Описание выполнения экспериментов по исследованию несущей способности плоских и оболочечных конструкций аэрокосмических ЛА на специализированном учебно-научном оборудовании – экспериментальной установке «Импульс-1») Основные положения Конструктивные схемы крыльев. Конструктивная схема отражает взаимное по ложение основных силовых элементов конструкции, их конструктивное оформление, ме тоды изготовления и соединения между собой, а также степень участие этих элементов, и, прежде всего обшивки, в восприятии изгиба. С этой точки зрения все многообразие кон струкций крыльев делят на две большие группы – лонжеронные и моноблочные (кессон ные).

Лонжеронная схема крыла. В любом сечении такого крыла практически весь изги бающий момент воспринимается поясами лонжеронов. Пояса при этом работают на осе вые нагрузки растяжения-сжатия, образуя пару сил, уравновешивающую момент изгиба.

Материал поясов в лонжеронном крыле используется весьма полноценно, т.к. общая по теря устойчивости сжатых поясов исключается из-за связи их с вертикальными стенками лонжеронов и с горизонтальной панелью обшивки, а местную потерю устойчивости сжа тых поясов легко можно исключить рациональным подбором параметров его сечения – толщины и высоты полок. В результате, разрушение сжатых поясов, равно как и растяну тых, будет происходить при напряжениях, близких к пределу прочности материала. Пере резывающая сила воспринимается в основном стенками лонжеронов, а крутящий момент – замкнутыми контурами, образованными обшивкой и стенками лонжеронов. Нервюры и стрингеры в крыле служат для подкрепления обшивки.

Обшивка в лонжеронном крыле даже в наиболее нагруженной зоне (вблизи борто вого сечения) практически полностью исключается из работы по восприятию изгибающе го момента, т.е. здесь имеет место четкое разграничение функций силовых элементов. Од ни элементы (лонжероны) воспринимают изгибающий момент и передают его на корпус, выполняя основную задачу конструкции, а другие (обшивка с подкрепляющими элемен тами) образуют необходимую аэродинамическую форму несущей поверхности и воспри нимают крутящий момент. Ввиду того, что толщина обшивки, потребная для восприятия крутящего момента, невелика, а возможности уменьшения толщины ограничены кон структивно-технологическими соображениями и требованиями обеспечения гладкости поверхности, обшивка является несиловым элементом конструкции, а ее масса – добавоч ной.

По количеству лонжеронов различают одно- и двухлонжеронные крылья (рис. 1а, б) и многолонжеронные крылья (рис. 1в, г).

Рис. 1. Конструктивные схемы крыльев Преимуществом лонжеронных крыльев является удобство соединения с корпусом, так как основные стыковые узлы устанавливаются по поясам лонжеронов, т.е. в отдель ных точках сечения крыла. Такой стык получил название точечного стыка. В этом случае каждый лонжерон через стыковые узлы поясов передает весь изгибающий момент, подо шедший к разъему, на ответные узлы силовых элементов корпуса. Этот способ крепления лонжерона обычно называют моментным узлом. Стыковые узлы по лонжеронам передают и часть перерезывающей силы, пришедшей по его стенке, а также могут передавать и со ставляющее усилие от крутящего момента. Кроме основных узлов стыка по лонжеронам в разъеме крыла могут устанавливаться дополнительные, обычно шарнирные узлы на про дольных стенках или просто на усиленной нервюре.

По сравнению с другими конструкциями лонжеронные крылья в меньшей мере подвержены короблению и воздействию температурных напряжений при нагреве вслед ствие незначительного стеснения лонжеронов тонкой обшивкой. Кроме того, лонжерон ные крылья допускают значительные вырезы в обшивке (необходимые, например, для до ступа к агрегатам, расположенным внутри крыла, в том числе стоек шасси) практически без снижения их прочности, поскольку тонкая обшивка, как уже было подчеркнуто, при нимает весь малое участие в восприятии изгиба.

Кессонная схема крыла. В таком крыле (см. рис. 1д) главным силовым элементом кессон, образованный верхней 5 и нижней 6 панелями подкрепленной обшивки и стенка ми лонжеронов. Кессонная силовая схема крыла предусматривает использование ослаб ленных поясов лонжерона, которые воспринимают небольшую часть изгибающего момен та, а большая его доля передается на силовые панели, установленные между лонжерона ми. При изгибе крыла аналогично поясам лонжеронов одна панель растягивается, а вторая – сжимается осевыми нагрузками. Разрушение сжатой панели определяется критическими напряжениями общей или местной потери устойчивости, которые всегда ниже предела прочности материала.

Конструктивно силовые панели крыла могут выполняться в виде: сборных панелей из толстой обшивки и мощного стрингерного набора;

монолитных панелей с оребрением, изготовленных штамповкой или фрезерованием;

трехслойных панелей с сотовым запол нителем;

клееных панелей из композиционных материалов.

Кессонная схема крыла требует принципиально иной схемы стыковки в разъеме по сравнению с лонжеронными крыльями. Для полноценной передачи изгибающего момента силовые панели в разъеме должны стыковаться не в отдельных точках, а по всему контуру этой панели. Конструктивно такой контурный стык может выполняться по-разному – уголками, стыковыми фитингами, накладками и т.п.

Моноблочная схема крыла. Основным конструктивно-силовым элементом моно блочного крыла является обшивка. Совместно с подкрепляющими элементами она обра зует силовые панели, которые воспринимают весь изгибающий момент. Пояса лонжеро нов полностью отсутствуют, а от лонжеронов остаются только их стенки, которые связы вают между собой верхнюю и нижнюю силовые панели. Перерезывающая сила в таком крыле воспринимается стенками и частично обшивкой, а крутящий момент – замкнутыми контурами, образованными обшивкой и стенками. Обшивка, подкрепленная достаточно частым продольным и поперечным набором, обеспечивает высокую жесткость крыла на кручение. Крепление моноблочного крыла осуществляется по всему контуру.

Потеря устойчивости обшивкой (панелью) означает потерю работоспособности всей несущей поверхностью. Масса обшивки в таких конструкциях может достигать 60 % массы крыла. Прямым следствием вовлечения в работу по восприятию изгибающего мо мента обшивки (с подкрепляющими элементами) являются низкие средние значения напряжений, следовательно, избыточность массы, что особенно характерно при невысо ком уровне нагружения.

По своим качествам и конструктивным особенностям моноблочное крыло мало от личается от крыла кессонного. Поэтому часто в литературе встречается термин кессонно моноблочное крыло, объединяющий обе рассмотренные схемы. Преимуществами моно блочных (кессонных) крыльев являются хорошее качество поверхности и их высокая жесткость (которые обеспечиваются применением сравнительно толстой обшивкой);

не достатки: сложность (а иногда и невозможность) создания вырезов в крыле (потребное из условий прочности усиление выреза наряду с усложнением конструкции ведет к увеличе нию массы крыла), сложность крепления крыла к силовым элементам корпуса.

Особенности конструктивных схем стреловидных и треугольных крыльев.

Стреловидные крылья имеют те же силовые элементы и выполняются по тем же кон структивным схемам, что и прямые. Особенности конструкции и работы стреловидных крыльев проявляются лишь в их корневой части, непосредственно прилегающей к корпу су. В зависимости от силовой схемы корневой части стреловидные крылья подразделяют ся на: крылья с переломом осей продольных силовых элементов у борта корпуса и крылья без перелома осей продольных силовых элементов – крылья с внутренней подкосной бал кой.

Примеры конструктивных схем крыльев с переломом осей продольных силовых элементов у борта корпуса представлены на рисунке рис. 1б,в. Стреловидное крыло двух лонжеронной схемы (рис. 1б) крепятся к силовым шпангоутам корпуса моментными уз лами по лонжеронам 3, 4. В корневой части такого крыла требуется установка мощных силовых бортовой 7 и корневой 8 нервюр, поскольку плоскости стенок лонжеронов не ле жат в плоскостях стенок силовых шпангоутов корпуса и это затрудняет передачу на борт корпуса изгибающего момента поясами лонжеронов крыла. Бортовая нервюра в этом слу чае воспринимает часть изгибающего момента и поперечной силы, которые тем больше, чем выше стреловидность крыла;

корневая нервюра требуется для передачи крутящего момента. При этом бортовая и корневая нервюры работают на изгиб, поэтому их выпол няют в виде двухпоясных балок. На рис. 1в показано многолонжеронное треугольное крыло с переломом осей лонжеронов на силовой нервюре 9, что позволяет передать на борт корпуса изгибающий момент кратчайшим путем.

В качестве примера альтернативной конструктивной схемы на рис. 1а представле но однолонжеронное стреловидное крыло с внутренней подкосной балкой 10 и задней стенкой 2. Лонжерон 1 крепится к силовому шпангоуту корпуса шарнирным узлом и не передает на корпус изгибающий момент. Подкосная балка – это фактически лонжерон, установленный в плоскости силового шпангоута, к которому он крепится моментным уз лом, передавая изгибающий момент кратчайшим путем. Подкосная балка разгружает от изгиба панель корневой части крыла и бортовую нервюру. В такой конструктивно силовой схеме можно обойтись без установки силовых нервюр в корневой части крыла, что позволяет организовать между лонжероном и подкосом большой вырез (нишу), например на нижней поверхности крыла, для уборки основной стойки шасси.

Для треугольных крыльев (крыльев малого удлинения) помимо рассмотренных конструктивных схем (с переломом осей продольных силовых элементов и с внутренней подкосной балкой) характерны и свои специфические схемы, например, со сходящимися к концу крыла лонжеронами 11 (рис. 1г), с лонжеронами, перпендикулярными к оси корпу са, с решетчатым силовым набором и некоторые другие. Возможные конструктивные схемы крыльев малого удлинения представлены на рис. 2.

а б в Рис. 2. Конструктивные схемы крыльев малого удлинения а – многолонжеронная схема;

б – многостеночное крыло;

в – моноблочное крыло Методические указания студентам при подготовке к лабораторной работе и в процессе ее выполнения:

1. Лабораторная работа проводятся в учебной лаборатории.

2. При подготовке к лабораторной работе студенты должны изучить необходимый лекционный материал и рекомендованную учебную литературу.

3. В процессе самоподготовки на лабораторной работе студенты должны:

изучить конструкции крыльев ЛА;

разработать эскиз конструкции крыла ЛА;

подготовится к сдаче зачета по лабораторной работе.

В качестве привлекаемых для выполнения лабораторных работ средств использу ется следующее учебно-методическое обеспечение:

1. Учебно-методическая литература:

Голубев И.С., Самарин А.В. Проектирование конструкций летательных аппара тов. Учебник. – М.: Машиностроение. 1991.

2. Методическая записка к лабораторной работе по конструкциям крыльев.

3. Альбомы конструкций ЛА (в методическом кабинете).

5. Препарированные крылья в учебной лаборатории.

ГЛАВА 5. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ Лабораторная работа № ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СВЕТИМОСТИ АБСОЛЮТНО ЧЕРНОГО ТЕЛА. КВАНТОВЫЙ ПОДХОД ПРИ ИЗУЧЕНИИ ФИЗИКИ КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ. (ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ОПТИКИ) Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Цель работы:

Проверка закона Стефана - Больцмана для энергетической светимости абсолютно черного тела.

Методика измерений В данной работе исследуется зависимость энергетической светимости M e0 модели абсолютно черного тела от температуры, которая выражается законом Стефана Больцмана:

M e0 T 4, т.е. энергетическая светимость M e0 пропорциональна абсолютной температуре тела в чет вертой степени.

Моделью абсолютно черного тела может служить печь с небольшим отверстием, Напротив отверстия помещается измерительный прибор, ток i в цепи которого пропорци онален мощности падающего на него излучения, которая, в свою очередь, пропорцио нальна энергетической светимости M e0 излучения отверстия печи. Исходя из этого, можно записать i kM e0, где k - коэффициент пропорциональности. Подставляя M e0 из закона Стефана - Больцма на, получаем:

i k T 4.

Логарифмируя это выражение, имеем ln i ln k ln ln T 4.

Заменяем const ln k ln и окончательно записываем ln i 4ln T const.

Из последнего выражения следует, что зависимость ln i от lnT изображается пря мой линией с угловым коэффициентом, близким к 4.

Лабораторное оборудование, его состав и описание Экспериментальная уста новка Для изучения излучения абсолютно черного тела предназначена экспериментальная установка, общий вид которой приведен на рис. 1.

Рис. Моделью абсолютно черного тела служит электрическая печь с маленьким отверсти ем 2. Нагрев печи осуществляется нагревательной спиралью 3. Степень нагрева можно изменять с помощью рукоятки 8. При крайнем левом положении рукоятки 8 мощность нагревательной спирали минимальна, при повороте рукоятки по часовой стрелке мощ ность нагрева возрастает.

Для измерения температуры в печи в нее помещается термопара 5. Термопара пред ставляет собой две проволочки из разных материалов, которые спаяны с двух концов.

Один спай 4 находится в печи, другой спай 6 - в комнате. Если температуры спаев различ ны, то по термопаре будет течь ток, пропорциональный разности температур спаев (раз ности температур в печи и в комнате).

Эта разность температур измеряется стрелочным прибором 7, подключенным к тер мопаре 5. Для определения абсолютной температуры T в печи к показанию прибора t нужно прибавить температуру t2 холодного спая (которая измеряется термометром в комнате) и выразить результат в абсолютной шкале:

T t1 t2 273[ K ]. (1) Напротив отверстия печи устанавливается термостолбик 1, который представляет собой несколько термопар, соединенных последовательно. Один ряд спаев (например, не четный) нагревается под действием излучения из отверстия печи, другой ряд спаев защи щен от действия излучения диафрагмой.

Ток i, протекающий через термостолбик пропорционален энергетической светимо сти печи. Величина этого тока измеряется с помощью микроамперметра 9.

Методика проведения эксперимента Порядок выполнения работы 1. Открыв щель термостолбика 1, установить его на расстоянии 2 - 3 см от отверстия печи так, чтобы оси диафрагмы термостолбика и отверстия печи совпадали.

2. Повернуть рукоятку 8 в положение 1 и подключить печь к электросети (220 В).

3. Примерно через 10 мин, когда в печи установится равновесное состояние с температурой t1 300C, записать в табл. 1 показание t1 стрелочного прибора 7 и значе ние тока i по микроамперметру 9.

4. Постепенно повышать температуру печи, последовательно (после очередного из мерения) поворачивая рукоятку 8 в положения 2, 3 и т.д. По мере нагрева через каждые 100C записывать показания приборов в табл.1.

Таблица № i ln i T lnT t1 t п.п. К мкА °С °С 1 2 3 4 5 5. По достижении температуры t1 700C снять последние значения показаний при боров и выключить печь из электросети. Повернуть рукоятку 8 в положение 0.

6. Записать значение температуры t2 ;

по термометру в комнате.

7. Рассчитать значения абсолютной температуры в печи по формуле (1).

8. Рассчитать значения lnT и ln i. Построить график зависимости ln i f ln T. По графику выбрать две произвольные точки 1 и 2 и определить угловой коэффициент полу ченного графика по формуле ln t2 ln t k.

ln T2 ln T 9. Сравнить значение k с теоретическим коэффициентом из закона Стефана - Боль цмана, равным 4, и рассчитать относительную погрешность измерения:

4k 100%.

Контрольные вопросы 1. Что в данной работе является моделью абсолютно черного тела?

2. Каким образом в данной работе исследуется энергетическая светимость печи?

3. Что такое термопара?

4. Как определить абсолютное значение температуры печи?

Лабораторная работа № ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Цель работы:

Изучение некоторых закономерностей внешнего фотоэффекта и построение вольт амперной характеристики вакуумного фотоэлемента.

Методика измерений и экспериментальная установка Для изучения внешнего фотоэффекта предназначена экспериментальная установка, общий вид которой приведен на рис.1.

Рис. Источник света (лампа в кожухе) 3 и вакуумный фотоэлемент 1 размещены на опти ческой скамье 2. Перемещая фотоэлемент, по оптической оси можно устанавливать раз личные расстояния между источником света и фотоэлементом.

В цепь установки включены микроамперметр 6, вольтметр 5 и переменное сопро тивление, регулируя которое с помощью ручки 4 изменяют напряжение на фотоэлементе.

Методика проведения эксперимента 1. Включить установку в сеть напряжением u 220В.

2. Установить фотоэлемент 1 на расстоянии d 20 см от источника света и открыть крышку фотоэлемента.

3. Снять вольт-амперную характеристику фотоэлемента. Для этого, повышая напря жение, через каждые 10B отмечать в табл.1 значения фототока. Измерения производить до величины тока насыщения iнас.

Таблица d 0 d 0 d 0 d 0 d № u п.п В i i i i i мкА мкА мкА мкА мкА 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 4. Повторить измерения по п.3 для четырех других расстояний между источником света и фотоэлементом: d 25, 30, 40, 50 см и записать полученные результаты в табл.10.2.

5. Выключить установку из сети и закрыть крышку фотоэлемента.

6. Построить на одном графике полученные вольт-амперные характеристики фото элемента i f u.

7. По данным табл.1 заполнить табл.2 и построить график зависимости тока насы щения iнас от величины 1 d 2.

Таблица № d 1 d2 iнас п.п м м мкА 1 0, 2 0, 3 0, 4 0, 5 0, Контрольные вопросы 1. Как в работе изменяют напряжение на вакуумном фотоэлементе?

2. Объяснить полученные в работе вольт-амперные характеристики.

3. На основе законов фотоэффекта объяснить, почему зависимость тока насыщения iнас от величины 1 d 2 изображается прямой линией?

Лабораторная работа № СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СПЛАВОВ (ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ АТОМОВ) Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Цель работы:

Провести качественный и полуколичественный анализ образца, определив процент ное содержание цинка.

Методика измерений и экспериментальная установка Спектральным анализом называется способ определения химического состава веще ства по спектру, излучаемому его атомами. Спектральный анализ подразделяется на каче ственный и количественный.

Задача качественного анализа - установить наличие в сложной смеси или сплаве тех или иных элементов по имеющимся в спектре характерным линиям анализируемых эле ментов.

Задача количественного анализа - установить количественное содержание анализи руемых элементов в смеси по интенсивности линий, так как интенсивность спектральной линии данного элемента является функцией его концентрации. Количественный расчет концентрации - задача сложная, так как интенсивность спектральной линии зависит не только от концентрации элемента, но и от условий возбуждения спектра и ряда других причин. Поэтому часто ограничиваются количественным анализом низкой точности, называемым полуколичественным.


В данной работе источником возбуждения спектра является электрическая дуга. В дуге главную роль играют процессы соударения атомов с электронами, при которых кине тическая энергия электронов переходит в энергию возбуждения атомов. Температура в дуге между металлическими электродами достигает примерно 5000°С.

Дуга переменного тока между металлическими электродами нестабильна - она гас нет в момент прохождения тока через нуль и вновь не загорается, так как вследствие большой теплопроводности металлов концы электродов быстро охлаждаются. Чтобы по лучить стабильную дугу переменного тока, к дуговому промежутку, кроме напряжения сети 220В с частотой 50 Гц, подводят высокочастотный ток большого напряжения. Такая дуга называется активизированной дугой Свептицкого.

Качественный и полуколичественный анализ состава сплава производят при помощи стилоскоспа, оптическая схема которого показана на рис. Рис. Свет от электрической дуги 3 через защитные стекла 2 направляется призмой 1 на конденсор 10, который фокусирует пучок света на щель 9. Объектив 8 превращает расхо дящийся пучок лучей в параллельный и направляет его на диспергирующие призмы 5, 6 в которых свет разлагается в спектр. Отражаясь от посеребренного большого катета призмы 6, лучи проходят в обратном направлении обе призмы 5 и 6, что увеличивает дисперсию прибора. Затем пучок лучей, пройдя объектив 8, превращается в сходящийся и попадает на поворотную призму 4, которая направляет его в окуляр 7.

Конструктивно схема стилоскопа показана на рис.2. Он состоит из головки 3 с осве тительной системой и спектрального аппарата 7.

В корпусе головки 3 находятся: защитные стекла, призма и конденсор. На конце го ловки в оправе 1 укрепляют анализируемый электрод, имеющий форму пластинки, и по стоянный дисковый электрод 2. Кнопка 7 служит для включения высокочастотного гене ратора для получения стабильной дуги между электродами.

Головка 3 изолирована от остальной части прибора изолятором 4. Стержень 5 с гай кой 6 служит для поворота призмы 1 (см. рис.1), которая устанавливает спектр дуги в поле зрения.

Рис. На корпусе спектрального аппарата 8 находится окуляр 10. В поле зрения окуляра предусмотрен указатель для фиксации спектральных линий.

Спектр в поле зрения перемещается поворотом барабана 9. При вращении барабана поворачивается призма 6 (рис.2). На барабан нанесена шкала, показания которой могут быть переведены в длины волн соответствующих спектральных линий по имеющейся на установке градуировочной кривой.

Содержание примеси в сплаве определяют сравнением интенсивности спектральных линий примеси с интенсивностью спектральных линий основного металла. При выполне нии необходимых расчетов пользуются таблицами (приложены к прибору). В табл.1 изоб ражены различные участки спектра, на которых указаны линии примеси и линии сравне ния основного металла (меди). Здесь же даны длины волн линий и их условные обозначе ния. В табл.2 дано сравнение интенсивности линий примеси с интенсивностью линий ме ди в зависимости от концентрации примеси. В табл.3 приведены длины волн в спектре различных элементов.

Методика проведения эксперимента 1. Включить в сеть генератор (выполняет только лаборант или преподаватель - вы сокое напряжение!).

2. Для проверки работы стилоскопа повернуть барабан 9 так, чтобы после включения дуги в поле зрения попадали зеленые линии спектра (деления 70-80 на первом обороте ба рабана).

3. Включить дугу кнопкой 7 не более, чем на 5 мин. На электродах дуги напряжение 11500 В, потому касаться головки прибора нельзя. Если яркость спектра недостаточна (или линии не видны), то поворотом гайки 6 установить требуемую яркость. Вращением окуляра 10 добиться резкого изображения спектральных линий.

Таблица № показания шкалы Элемент п.п. А n 4. Провести качественный анализ сплава. Для этого вращением барабана 9 устано вить указатель, расположенный в поле зрения окуляра, на яркие линии спектра, начиная с красной части, и записать показания шкалы барабана 9. Замерить не менее 15 ярких линий и занести данные в табл. 5. Пользуясь градуировочной кривой определить длины волн, соответствующие из меренным линиям. С помощью табл.3, приложенной к прибору, установить, каким эле ментам принадлежат найденные спектральные линии. Результаты записать в табл.4.

6. Определить содержание цинка в образце. Пользуясь градуировочной кривой, установить в поле зрения стилоскопа участок спектра, условно обозначенный "Zn-II" на табл.1, приложенной к прибору. На глаз оценить интенсивность линий цинка и соответ ствующих линий сравнения. По приложенной к прибору табл.2 определить содержание цинка в образце.

7. Для проверки полученного результата повторить п.6, установив в поле зрения сти лоскопа участок спектра "Zn-III".

8. Отключить высокочастотный генератор от сети.

Контрольные вопросы 1. Что называется качественным и количественным анализом сплавов? Какие виды анализа проводятся в данной работе?

2. Что из себя представляет стилоскоп?

3. Как в работе определяются длины волн спектральных линий?

4. Как необходимо использовать прилагаемые к прибору таблицы?

Лабораторная работа № ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА (ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ.) Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Цель работы:

По спектру поглощения двухромовокислого калия рассчитать значение постоянной Планка.

Методика измерений При пропускании света через большинство жидкостей в спектрах имеются полосы поглощения.

Если раствор двухромовокислого калия K2Cr2O7 освещать светом, то при поглоще нии света раствором происходит распад иона Cr2O7. Распад происходит, если иону Cr2O сообщается энергия не менее 3,97 1019 Дж. Следовательно, поглощаются фотоны, энер гия которых h больше или равна приведенного граничного значения h 3,97 1019. (1) Используя связь частоты фотона с длиной волны c (2) где c 3 108 м/с - скорость света в вакууме, получаем hc 3,97 1019 Дж. (3) Граничное (максимальное) значение длины волны поглощенного света гр может быть найдено по спектру поглощения раствора K2Cr2O7. По этому значению из формулы (3) может быть экспериментально определена постоянная Планка 3,97 гр [Дж с] h (4) c Экспериментальная установка Для экспериментального определения постоянной Планка предназначена экспери ментальная установка, общий вид которой приведен на рис. Рис. В установку входят две лампы: ртутно-кварцевая 1 и обычная лампа накаливания 2, которые зажигаются переключателем 8. Лампы могут поочередно устанавливаться перед коллиматорной трубой 4 спектроскопа 6 с помошью поворотного кронштейна.

Ртутная лампа 1 предназначена для градуировки шкалы спектроскопа. С помощью лампы накаливания 2 изучают спектр поглощения раствора двухромокислого калия 9.

Оптическая схема спектроскопа показана на рис. Рис. Свет от лампы входит в спектроскоп через щель 1 коллиматорной трубы, установ ленной в фокальной плоскости объектива 2. Проходя через объектив 2 свет параллельным пучком падает на призму 3, где происходит явление дисперсии, т.е. свет разлагается в спектр.

Отражаясь от посеребренной грани призмы 3 пучок света проходит снова объектив и поворачивается в окуляр 5 с помощью призмы полного внутреннего отражения 4. Приз му 3 можно поворачивать микрометрическим винтом, тем самым направляя в поле зрения окуляра различные участки спектра.

Спектр наблюдают через окуляр 5 спектроскопа (см.рис.1), с помощью микрометри ческого винта 7 помещая в поле зрения последовательно различные участки спектра.

Градуировку спектроскопа проводят следующим образом. В ртутной лампе под дей ствием электрического разряда происходит свечение разреженных паров ртути. Это све чение имеет линейчатый спектр линий различного цвета, как показано на рис. Рис. Обозначение линий на рисунке соответствует их цвету: ж - желтая, з - зеленая, г го лубая, с - синяя, ф - фиолетовая.

Совмещая поочередно с визирной ли нией в окуляре линии спектра от ртутной лампы, по известным длинам волн можно построить градуировочный график зависи мости длин волн спектра от соответствую щих им делений шкалы микрометрического винта n, как это показано на рис. 4.

n(дел) Рис. Затем, пропуская свет от лампы накаливания через раствор двухромокислого калия, фиксируют деление шкалы микрометрического винта, соответствующее границе погло щения, и по графику рис.4 определяют граничную длину волны спектра поглощения дву хромовокислого калия.

Методика проведения эксперимента 1. Включить установку в сеть (220В) и зажечь ртутную лампу переключателем (рис.1).

2. Направить свет лампы на щель коллиматорной трубы 4 спектроскопа и установить окуляр 5 так, чтобы четко видеть спектр ртутных паров.

3. Совмещая при помощи микрометрического винта визирную линию окуляра по очередно с различными спектральными линиями, записать в табл.1 цвет спектральных ли ний и соответствующие им деления n на шкале винта.

4. По рис.3 определить и записать в табл.3 длины волн наблюдаемых спектральных линий.

Таблица № n цвет линий п.п мм мм фиолетовый синий зеленый желтый 5. Построить градуировочную кривую (см.рис. 4), откладывая по оси ординат длины волн спектральных линий, а по оси абсцисс - соответствующие им деления шкалы микро метрического винта f n.

6. Выключить ртутную лампу и зажечь лампу накаливания.

7. С помощью поворотного кронштейна установить лампу накаливания напротив щели спектроскопа.

8. Наблюдая сплошной спектр лампы накаливания, поместить на полочку 3 (рис.1) флакон с двухромовокислым калием 9. Установить визирную линию на границу поглоще ния (зеленый цвет) и записать деление шкалы микрометрического винта, соответствую щее граничной длине волны X.гр, с которой начинается поглощение.


9. Выключить установку из сети.

10. По градуировочному графику определить значение гр и по формуле (4) вычис лить постоянную Планка.

11. Рассчитать относительную погрешность измерений h hтеор 100%.

hтеор Контрольные вопросы 1. Для какой цели в работе служат ртутная лампа и лампа накаливания?

2. Почему при пропускании света через раствор двухромовокислого калия в спектре исчезают длины волн от зеленого до фиолетового цвета, а не красного или желтого?

3. Зачем в работе строят градировочный график?

4. По рис.3 определить и записать в табл.1 длины волн наблюдаемых спектральных линий.

Лабораторная работа № 19/ Исследование внутреннего фотоэффекта / Исследование вентильного фотоэф фекта Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Цель работы:

Определение интегральной чувствительности фотоэлемента с запирающим слоем и удельной чувствительности фотосопротивления.

Методика измерений Селеновый фотоэлемент с запирающим слоем имеет следующее устройство (рис. 1).

Железная пластинка, служащая первым электродом, покрывается слоем кристаллического селена, обладающего p -проводимостью. На поверхность селена наносится тонкий слой n -полупроводника (А-А). Вторым электродом служит полупрозрачный слой золота.

Рис. Свет проходит через тонкий слой золота и попадает в область p n перехода, обра зующегося между n -полупроводником и селеном. Наблюдается вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающего слоя), в результате которого через гальванометр Г течет ток.

Рис. Рассмотрим подробнее это явление. В отсутствии освещения p n переход находит ся в равновесном состоянии. Под действием света в p - и n - областях появляются доба вочные основные и неосновные носители заряда. При этом неосновные носители для каж дой области подхватываются контактным полем p n перехода и перебрасываются в дру гую область (см. рис. 2). Вследствие этого p -область заряжается положительно, а n область - отрицательно.

Если фотоэлемент подключить к внешней нагрузке, то в ней будет течь ток, обу словленный движением неосновных носителей заряда, который увеличивается с увеличе нием освещенности поверхности фотоэлемента.

Интегральной чувствительностью фотоэлемента называется отношение фототока i к световому потоку, падающему на светочувствительную поверхность:

i. (1) Здесь - световой поток, единицы измерения светового потока [ ] = 1люмен (лм).

Рис. Пусть свет от точечного источника тока P падает на поверхность фотоэлемента площадью S (рис. 3). Сила света источника J кандел. Тогда на поверхность фотоэлемен та, находящегося на расстоянии d, падает световой поток J, (2) где S d 2 - телесный угол, под которым видна поверхность S из точки P.

Формулу (2) можно записать в виде JS. (3) d Тогда согласно (1) интегральная чувствительность фотоэлемента равна id. (4) JS Фотосопротивление состоит из светочувствительного слоя полупроводника 2 тол щиной около 1 мкм, нанесенного на стеклянную пластину 1 (рис. 4).

Рис. На поверхность полупроводника наносятся электроды 2, обычно выполняемые из золота. Светочувствительная поверхность заливается толстым слоем прозрачного лака.

Фотосопротивление монтируется в пластмассовом корпусе.

Под действием света собственная проводимость чистого полупроводника возрастает за счет появления свободных носителей заряда: электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Следовательно, при подключении внешнего напряжения и в цепи будет течь ток.

Интегральную чувствительность фотосопротивления можно также определить по формуле (4). Но, в отличие от фотоэлементов с запирающим слоем, у фотосопротивлений величина фототока зависит не только от освещенности, а и от приложенного напряжения.

Поэтому для характеристики их качества применяют удельную чувствительность.

Удельной чувствительностью фотосопротивления называется отношение его интеграль ной чувствительности к приложенному напряжению. (5) u С учетом формулы (4) получаем id. (6) JSu Фотопроводимость полупроводниковых фотоэлементов и фотосопротивлений зна чительно выше, чем у фотоэлементов, основанных на внешнем фотоэффекте.

Экспериментальная установка Для определения чувствительности фотоэлемента и фотосопротивления предназна чена экспериментальная установка, общий вид которой приведен на рис. 5.

На оптической скамье 3 размещаются: фотоэлемент с запирающим слоем 1, фотосо противление 2 и источник света 4 - лампа накаливания. Подключение к измерительным приборам фотоэлемента и фотосопротивления осуществляется соответствующими тум блерами.

Перемещая лампу 4, можно изменять расстояние d от фотоэлемента до лампы, ко торое измеряется по шкале на оптической скамье 3.

Фототок измеряют микроамперметром 6. Напряжение на фотосопротивлении изме няют с помощью переменного сопротивления R и измеряют вольтметром 5.

Параметры установки:

Радиус светочувствительной поверхности фотоэлемента R 0,018 м, площадь по верхности фотосопротивления S 35 106 м, сила света лампы J 25 Кд.

Рис. Методика проведения эксперимента Упражнение 1.

Определение интегральной чувствительности фотоэлемента с запирающим слоем.

1. Установить лампу 4 на расстоянии d 0,8 м от фотоэлемента 1 (рис. 5).

2. Подключить лампу к сети 220 В.

3. Открутив стопорный винт, опустить фотосопротивление 2, чтобы оно не загора живало светочувствительную поверхность фотоэлемента 1. Открыть крышку фотоэлемен та.

4. Установить переключатель "фотоэлемент" в положение "вкл", а переключатель "фотосопротивление" в положение "выкл".

5. Измерить фототок микроамперметром 6 и записать полученное значение в табл. 1.

6. Повторить измерения для расстояний от фотоэлемента до лампы d 0,9;

1,0;

1,1;

1,2 м.

7. Закрыть крышку фотоэлемента.

8. Подсчитать площадь светочувствительной поверхности фотоэлемента S R2.

По формуле (4) вычислить интегральную чувствительность о фотоэлемента для каждого расстояния.

Таблица № i d п. п. м мкА мкА/лм мкА/лм 1 0, 2 0, 3 1, 4 1, 5 1, 9. Определить среднее значение интегральной чувствительности для всех измере ний.

Упражнение 2.

Определение удельной чувствительности фотосопротивления.

1. Поместить лампу на расстоянии 30 - 40 см от фотосопротивления 2 (рис. 5).

2. Поднять фотосопротивление 2 так, чтобы его светочувствительная поверхность располагалась на одной горизонтали с лампой 4. Открыть крышку фотосопротивления.

3. Подключить установку к сети 12 В и замкнуть цепь тумблером.

4. Установить переключатель "фотоэлемент" в положение "выкл", а переключатель "фотосопротивление" в положение "вкл".

5. С помощью регулируемого сопротивления R установить напряжение u 1 В. При этом необходимо учесть цену деления вольтметра 5. Цена деления определяется по фор муле umax u N где umax - предел измерения вольтметра (написан на вольтметре), N - общее число деле ний шкалы вольтметра. (Чаще всего в работе применяется вольтметр с umax 15B и N 75 делений, тогда цена одного деления u0 15 75 0, 2B ).

6. Измерить по микроамперметру 1 величину фототока i и результаты измерений занести в табл. 2.

7. Повторить измерения по п.п.5, 6, увеличивая напряжение и через 1В до значения 10В.

8. Построить зависимость фототока от приложенного напряжения i f u.

9. По формуле (6) вычислить удельную чувствительность 8 фотосопротивления и определить среднее значение 5 для всех измерений.

10. Отключить установку тумблером и отсоединить лампу от сети.

Таблица мкАУ(лм № u i п.п. В мкА мкА/(лм-В) В) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Контрольные вопросы 1. Что называется интегральной чувствительностью фотоэлемента?

2. В чем заключается вентильный фотоэффект?

3. Что такое удельная чувствительность фотосопротивления?

4. Опишите принцип работы фотосопротивления.

Лабораторная работа № ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА (ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ) Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Цель работы:

Снятие вольт-амперной характеристики при прямом и обратном включении диода;

определение сопротивления диода при прямом включении.

Методика измерений Полупроводниковые диоды изготавливаются обычно из германия или кремния и мо гут быть точечными или плоскостными в зависимости от того, в точке или плоскости про исходит контакт двух областей с разным типом проводимости. В данной работе исследу ются характеристики точечного германиевого диода.

Вольт - амперная характеристика диода (зависимость тока от напряжения показана на рис.1. Она состоит из двух ветвей: при прямом включении ( u 0 ) и обратном ( u 0 ).

Для наглядности прямая и обратная ветви вычерчены в разном масштабе, поскольку пря мой ток измеряется в миллиамперах, а обратный - в микроамперах.

Рис. Выпрямляющие свойства кристаллического диода характеризуются коэффициентом выпрямления, равному отношение токов для прямого и обратного включения при одной и той же величине напряжения:

i при u const, (1) i где i - прямой, i - обратный токи.

Другой параметр кристаллического диода - величина внутреннего сопротивления R при прямом включении, т.е. в направлении пропускания тока:

u Ri. (2) i Величина R. может быть определена методом графического дифференцирования по вольт-амперной характеристике (см. рис.1).

Экспериментальная установка Для исследования характеристик полупроводникового диода предназначена экспе риментальная установка, общий вид которой приведен на рис. Напряжение на германиевом диоде 3 изменяют с помощью переменного сопротив ления 6. Значения прямого тока определяют по миллиамперметру 1, поставив переключа тель 4 в соответствующее положение. Значения обратного тока определяют по микроам перметру 2, предварительно изменив положение переключателя 4.

Вольтметр 5 имеет различные пределы измерения: umax 3B при прямом включении и umax 15B при обратном. Вся шкала вольтметра соответствует N 75 делениям. Цена деления вольтметра при прямом включении:

umax u0 0, 04 B, (3) N а при обратном:

umax u0 0, 2 B. (4) N Методика проведения эксперимента 1. Подключить установку к сети 12 В. Включить установку тумблером.

2. Снять вольт-амперную характеристику диода в прямом направлении. Для этого поставить переключатель 4 в нужное положение и с помощью регулируемого сопротивле ния 6 увеличивать напряжение и от 0 до 2В через 0,2 В. При этом необходимо учесть цену деления вольтметра 5 согласно формуле 3. i. Результаты измерений занести в табл.1.

Таблица Прямое Обратное Обратный ток i напряжение напряжение Прямой ток I [мА] [мкА] u '[В] u [B] 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Для каждого значения напряжения измерить по миллиамперметру 1 величину пря мого тока 3. Снять вольт-амперную характеристику диода при обратном включении. Для этого установить переключатель 4 в положение "обратный" и с помощью регулируемого сопро тивления 6 увеличивать напряжение на диоде от 0 до 10 В через 1 В (цена деления вольт метра при обратном включении изменяется, см формулу 3) Для каждого значения напря жения фиксировать обратный ток i' по микроамперметру 2. Записать измерения в табл.1.

4.Отключить установку от сети.

5.Построить вольт-амперную характеристику диода в разном масштабе для прямого и обратного тока, чтобы ее вид соответствовал рис.1.

6.По формуле 1 найти коэффициент выпрямления п, взяв значения прямого i и об ратного i токов при величине напряжения u 1B.

7.По вольт-амперной характеристике диода определить внутреннее сопротивление диода Ri 2 при различных значениях прямого напряжения. Для этого разбить ось напря жений на 5-7 одинаковых интервалов u (см. рис.1), для каждого интервала найти соот ветствующие приращения тока i, и по формуле 2 рассчитать значение Ri. Это значение Ri отнести к среднему значению напряжения u в интервале. Полученные данные запи сать в табл.2.

Таблица u i № u R ln Ri п.п. В В мА Ом 8. Построить график зависимости сопротивления от напряжения в полулогарифми ческом масштабе: ln Ri f u.

Контрольные вопросы 1. Что называется коэффициентом выпрямления полупроводникового кристалличе ского диода?

2. В чем заключается метод графического дифференцирования для нахождения со противления Ri диода при прямом включении?

3. Объясните вид вольт-амперной характеристики диода для прямого и обратного напряжения.

Лабораторная работа № ИССЛЕДОВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ТРИОДА, ВКЛЮЧЕННОГО ПО СХЕМЕ С ОБЩЕЙ БАЗОЙ.

(ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ) Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Цель работы:

Снятие вольт-амперных характеристик триода в схеме с общей базой и определение коэффициента усиления по току.

Методика измерений Полупроводниковые триоды (транзисторы) представляют собой совокупность двух p n переходов, полученных тем или иным способом в одном полупроводящем кристал ле.

На рис.1 показано схематиче ское изображение транзисторов типа pn p и n pn.

Транзисторы имеют три обла сти. Одна из крайних областей, яв ляющаяся источником электронов или дырок, называется эмиттером (Э), средняя область - базой (Б), область, собирающая заряды, - коллектором (К).

В работе исследуется германиевый транзистор p n p типа, включенный по схеме с общей базой, как показано на рис.2.

На схеме u1 и u2 - источники внешнего напряжения в цепях эмиттера и коллектора ( u1 3B, u2 12B ), R1 и R2 - регулируемые сопротивления в цепях эмитгера и коллектора.

Как видно из схемы, переход эмиттер-база включен в прямом направлении (т.е.

внешнее напряжение u1 уменьшает контактную разность потенциалов p n перехода эмиттер-база);

а переход база-коллектор включен в обратном (запирающем) направлении.

Следовательно, из эмиттера в базу течет достаточно большой по величине диффузионный ток, созданный основными носителями заряда (дырками). Так как толщина базы обычно весьма мала (порядка нескольких микрометров), то только очень малая часть прибываю щих из эмиттера дырок рекомбинирует с основными носителями базы (электронами). В основном эти дырки подхватываются контактным полем перехода база-коллектор и пере ходят в цепь коллектора.

Таким образом, ток через коллектор значительно увеличивается и становится почти равным току через эмиттер. Ясно, что всякое изменение тока в цепи эмиттера будет вызы вать изменение тока в цепи коллектора.

Коэффициентом усиления по току называется отношение приращения тока коллек тора к соответствующему приращению тока эмиттера iк при uк const. (1) iэ Значения несколько меньше единицы, что объясняется двумя причинами:

а) частичной рекомбинацией диффундировавших из эмиттера в базу дырок с основ ными носителями базы - электронами;

б) незначительным ответвлением тока эмиттера в цепь базы iэ iк i, где iБ мал.

Поскольку 1, то при включении транзистора по схеме с общей базой усиление по току получить нельзя.

Данная схема включения транзистора позволяет получить усиление входного сигнала по напряжению и мощности. Так как переход база-коллектор включен в за пирающем (обратном) направлении, то его сопротивление велико, поэтому последова тельно с ним можно подключить сопро тивление R2, значительно большее сопро тивления R1.

Следовательно, выходное напряжение uк iк R2 iэ R1 будет значительно больше входного напряжения uэ iэ R1.

Коэффициент усиления по напряжению iк при uк const. (2) iэ Вид зависимости тока от напряжения в цепи коллектора при различных значениях тока в цепи эмиттера и (вольт-амперные характеристики транзистора) показан на рис.3.

Зависимости имеют очень малый наклон, что обусловлено Рис. 3 большим выходным со противлением. Величина тока в цепи коллектора iк задается значением тока в цепи эмит тера iэ.

Экспериментальная установка Для исследования характеристик полупроводникового транзистора, включенного по схеме с общей базой, предназначена экспериментальная установка, общий вид которой приведен на рис.4.

Величину тока эмиттера i, в исследуемом транзисторе 2 устанавливают с помощью регулируемого входного сопротивления R1 и измеряют миллиамперметром 1.

Сопротивлением R2 изменяют напряжение uк в цепи база-коллектор, которое изме ряется вольтметром 4. Ток в цепи коллектора iк измеряется зеркальным миллиампермет ром 3.

Методика проведения эксперимента 1. Подключить установку тумблером к сети.

2. Определить цену деления применяемых приборов. Цена деления амперметра или вольтметра определяется по формулам imax u i0 или u0 max, N N где imax, umax - предел измерения амперметра или вольтметра (написан на приборе), N общее число делений шкалы прибора.

3. Потенциометром R1 установить ток в цепи эмиттера uэ iэ 2 мA. Потенциомет ром R2 установить напряжение в цепи коллектора uк 0. Измерить ток в цепи коллектора iк. Результат измерения занести в табл.1.

Таблица iэ 2мA iэ 4мA iэ 6мA iэ 8мA iэ 10мA № uк iк iк iк iк iк п. п В мА мА мА мА мА 1 2 3 4 5 6 4. Увеличивая потенциометром R2 напряжение в цепи коллектора, измерить зависи мость тока в цепи коллектора iк от напряжения uк 2, 4, 6, 8, 10 В. При этом необходимо следить за постоянством тока в цепи эмиттера iэ. Выше 10 В напряжение между коллек тором и базой uк не подавать! Результаты измерений занести в табл.1.

5. Повторяя п.п.3, 4;

снять вольт-амперные характеристики для других значений тока в цепи эмиттера iэ 4, 6, 8, 10 мА.

6. Выключить установку из сети.

7. Построить на одном графике полученные вольтамперные характеристики iк f uк при iэ const, как показано на рис.3.

8. По одной из характеристик найти выходное сопротивление цепи. Для этого на ли нейном участке кривой выбрать интервал uк, определить соответствующий ему интер вал iк и по угловому коэффициенту зависимости рассчитать выходное сопротивление транзистора:

uк Rвых.

iк 9. По построенным вольт-амперным характеристикам найти значения тока в цепи коллектора iк для напряжения uк 5B при различных значениях тока в цепи эмиттера iэ.

Результаты занести в табл.2.

10. Построить график зависимости тока в цепи коллектора от тока в цепи эмиттера iк f iэ. По угловому коэффициенту наклона графика к оси абсцисс iэ согласно фор муле 2 определить коэффициент усиления транзистора по току.

Таблица № iэ iк п.п мА мА 1 2 3 4 5 6 Контрольные вопросы 1.Что представляет из себя полупроводниковый транзистор?

2.Описать принцип работы транзистора, включенного по схеме с общей базой.

3.Усиление каких параметров электрического сигнала позволяет получить схема включения с общей базой?

4.Дать определение коэффициентам усиления электрического сигнала по току и напряжению.

Лабораторная работа № ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ТРИОДА, ВКЛЮЧЕННОГО ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ.

(ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ. ДИНАМИКА КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ).

Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Цель работы:

Снятие вольт-амперных характеристик триода в схеме с общим эмиттером и опреде ление коэффициента усиления по току.

Методика измерений Полупроводниковые триоды (транзисторы) представляют собой совокупность двух p n переходов, полученных тем или иным способом в одном полу проводящем кристал ле. На рис. 1 показано схематическое изображение транзисторов типа p n p и n pn.

Рис. Транзисторы имеют три области. Одна из крайних областей, являющаяся источни ком электронов или дырок, называется эмиттером (Э), средняя область - базой (Б), об ласть, собирающая заряды, -коллектором (К).



Pages:     | 1 || 3 |
 



Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.