水工質脈沖等離子體低功率推進器的設計與研究.pdf

1、電推進系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能逐步取代傳統(tǒng)的化學推進系統(tǒng)，被廣泛用來為航天器提供機動和控制推力。作為電推進的一種方式，脈沖等離子體推進器以高比沖、結構簡單、重量輕、良好系統(tǒng)繼承性和可靠性等特點，成為當前國際電推進研究的熱點之一。典型脈沖等離子體推進器使用Teflon作為工質。然而，Teflon脈沖等離子體推進器存在一些問題，如：主放電期間的低速蒸汽和大粒子的發(fā)散造成推進性能低、Teflon燒蝕后產生的碳和氟污染飛船上的設備等，限制了脈沖等離子

2、體推進器的實際應用。為此，無污染、性能高、具有廣泛適用性的脈沖等離子體推進器技術是值得研究的重要課題。
　　 本文從器件研制、推進性能的理論分析、機制實驗入手，以低功率水工質脈沖等離子體推進器為研究對象，從外部電路和本體結構的設計與制造、工作特性和性能、提高性能的途徑等方面對水工質脈沖等離子體推進器的推進機制進行系統(tǒng)研究，取得了以下成果：
　　 推導出基于磁流體動力學的質量流率方程，進而得以從一維準穩(wěn)定等離子體流場的角度

3、對Teflon、H2O、Argon這三種工質在作用于系統(tǒng)時的質量流率和磁聲速進行了比較分析，得出采用水作為工質對低功率脈沖等離子體推進器性能的提高最有利的結論；以水工質脈沖等離子體推進器物理模型的分析為前提，對推進器本體結構、主放電電路、觸發(fā)裝置的設計方法進行研究，研制出了水工質脈沖等離子體低功率推進器實驗系統(tǒng)。
　　 從脈沖等離子體推進器基本性能關系式(推力、比沖、效率等)入手，把工作過程近似為LCR電路，建立了零維模型。打破

4、了采用不可變電路參量的傳統(tǒng)解算零維模型的束縛，提出了采用可變電路參量來解算模型，實現(xiàn)了解算精確性的提高。結合不可變電路參量和可變電路參量的零維模型對電磁加速模式的低功率水工質脈沖等離子體推進器的工作過程分別進行了理論分析，對外部電路結構參數對性能的影響進行了研究；在搭建的放電回路測量系統(tǒng)上，通過放電回路測量實驗，結合零維模型研究了水工質脈沖等離子體推進器的放電類型、工作能量閾值等工作特性及放電參數對性能的影響，得出了水工質脈沖等離子體低

5、功率推進器具有良好的工作特性的結論。
　　 從推力產生機制的角度(即推力由電熱和電磁力制造)，以零維模型為理論基礎，通過對低功率水工質脈沖等離子體推進器的微沖量和等離子體中等效電阻的測量和理論分析，研究了推功比、能量分配和效率對推進機制的影響。在搭建的低功率水工質脈沖等離子體推進器的微沖量測量實驗系統(tǒng)上，測量了羽流撞擊水平靶的振動速度，并通過建立的沖量平衡模型得出實測沖量和實測推功比；對放電電流與沖量理論公式相結合計算出的理論推

6、功比與由實測沖量值計算出的推功比進行了比較分析，從推功比的角度研究了電磁加速和電熱加速在沖量制造過程中的變化趨勢。把水工質PPT放電過程近似為一維準穩(wěn)態(tài)MHD流動，將LCR電路的零維模型與一維準穩(wěn)態(tài)MHD模型相結合，在水工質脈沖等離子體低功率推進器放電時的等離子體產生和膨脹擴散方式進行理論分析的基礎上，結合不可變電路參量的零維模型推導出水工質脈沖等離子體推進器在運行過程中的能量分配關系和儲能轉換為電熱和電磁加速的能量轉換率公式。通過對放

7、電電流的測量和分析，得到等離子體中的等效電阻分布情況，從能量分配的角度研究了電磁加速和電熱加速在沖量制造過程中的變化趨勢。
　　 針對水工質脈沖等離子體低功率推進器的推功比低是由等離子體的高電阻造成這一特點，在推進機制理論分析和實驗研究的基礎上，對易電離元素的基體干擾機理及對等離子體電磁加速影響進行了研究，并提出在水工質中添加低電離勢的易電離元素Na和K來提高推進器性能的新方法。通過對采用NaCl水溶液、KCl水溶液的低功率水工