水工質(zhì)脈沖等離子體低功率推進(jìn)器的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、電推進(jìn)系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能逐步取代傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，被廣泛用來為航天器提供機(jī)動(dòng)和控制推力。作為電推進(jìn)的一種方式，脈沖等離子體推進(jìn)器以高比沖、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、良好系統(tǒng)繼承性和可靠性等特點(diǎn)，成為當(dāng)前國(guó)際電推進(jìn)研究的熱點(diǎn)之一。典型脈沖等離子體推進(jìn)器使用Teflon作為工質(zhì)。然而，Teflon脈沖等離子體推進(jìn)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(jìn)性能低、Teflon燒蝕后產(chǎn)生的碳和氟污染飛船上的設(shè)備等，限制了脈沖等離子

2、體推進(jìn)器的實(shí)際應(yīng)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(jìn)器技術(shù)是值得研究的重要課題。
　　 本文從器件研制、推進(jìn)性能的理論分析、機(jī)制實(shí)驗(yàn)入手，以低功率水工質(zhì)脈沖等離子體推進(jìn)器為研究對(duì)象，從外部電路和本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造、工作特性和性能、提高性能的途徑等方面對(duì)水工質(zhì)脈沖等離子體推進(jìn)器的推進(jìn)機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究，取得了以下成果：
　　 推導(dǎo)出基于磁流體動(dòng)力學(xué)的質(zhì)量流率方程，進(jìn)而得以從一維準(zhǔn)穩(wěn)定等離子體流場(chǎng)的角度

3、對(duì)Teflon、H2O、Argon這三種工質(zhì)在作用于系統(tǒng)時(shí)的質(zhì)量流率和磁聲速進(jìn)行了比較分析，得出采用水作為工質(zhì)對(duì)低功率脈沖等離子體推進(jìn)器性能的提高最有利的結(jié)論；以水工質(zhì)脈沖等離子體推進(jìn)器物理模型的分析為前提，對(duì)推進(jìn)器本體結(jié)構(gòu)、主放電電路、觸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，研制出了水工質(zhì)脈沖等離子體低功率推進(jìn)器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
　　 從脈沖等離子體推進(jìn)器基本性能關(guān)系式(推力、比沖、效率等)入手，把工作過程近似為L(zhǎng)CR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(shí)現(xiàn)了解算精確性的提高。結(jié)合不可變電路參量和可變電路參量的零維模型對(duì)電磁加速模式的低功率水工質(zhì)脈沖等離子體推進(jìn)器的工作過程分別進(jìn)行了理論分析，對(duì)外部電路結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響進(jìn)行了研究；在搭建的放電回路測(cè)量系統(tǒng)上，通過放電回路測(cè)量實(shí)驗(yàn)，結(jié)合零維模型研究了水工質(zhì)脈沖等離子體推進(jìn)器的放電類型、工作能量閾值等工作特性及放電參數(shù)對(duì)性能的影響，得出了水工質(zhì)脈沖等離子體低

5、功率推進(jìn)器具有良好的工作特性的結(jié)論。
　　 從推力產(chǎn)生機(jī)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(chǔ)，通過對(duì)低功率水工質(zhì)脈沖等離子體推進(jìn)器的微沖量和等離子體中等效電阻的測(cè)量和理論分析，研究了推功比、能量分配和效率對(duì)推進(jìn)機(jī)制的影響。在搭建的低功率水工質(zhì)脈沖等離子體推進(jìn)器的微沖量測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上，測(cè)量了羽流撞擊水平靶的振動(dòng)速度，并通過建立的沖量平衡模型得出實(shí)測(cè)沖量和實(shí)測(cè)推功比；對(duì)放電電流與沖量理論公式相結(jié)合計(jì)算出的理論推

6、功比與由實(shí)測(cè)沖量值計(jì)算出的推功比進(jìn)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(shì)。把水工質(zhì)PPT放電過程近似為一維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)MHD流動(dòng)，將LCR電路的零維模型與一維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)MHD模型相結(jié)合，在水工質(zhì)脈沖等離子體低功率推進(jìn)器放電時(shí)的等離子體產(chǎn)生和膨脹擴(kuò)散方式進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合不可變電路參量的零維模型推導(dǎo)出水工質(zhì)脈沖等離子體推進(jìn)器在運(yùn)行過程中的能量分配關(guān)系和儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換為電熱和電磁加速的能量轉(zhuǎn)換率公式。通過對(duì)放

7、電電流的測(cè)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(shì)。
　　 針對(duì)水工質(zhì)脈沖等離子體低功率推進(jìn)器的推功比低是由等離子體的高電阻造成這一特點(diǎn)，在推進(jìn)機(jī)制理論分析和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)易電離元素的基體干擾機(jī)理及對(duì)等離子體電磁加速影響進(jìn)行了研究，并提出在水工質(zhì)中添加低電離勢(shì)的易電離元素Na和K來提高推進(jìn)器性能的新方法。通過對(duì)采用NaCl水溶液、KCl水溶液的低功率水工