微型脉冲等离子体推力器设计及推进剂烧蚀特性研究(2)
时间:2017-06-15 20:08 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
脉冲等离子体推进器（PPT）是电推进的一种，属于脉冲电磁推进。电磁式电推进火箭包括稳态等离子体推进火箭和脉冲等离子体推进火箭两种，前者在国外已推向市场。对PPT 的研究始于20 世纪60 年代，但之后电推进的重点集中在主推进方面，PPT 的研究和发展陷于停顿。80 年代以来，微小卫星的发展热引发了对空间推进系统轻量化技术的迫切需求，同时要求卫星降低成本、提高有效载荷比例和改善控制精度。而此时化学推进系统的研究已渐趋极限，难有大的突破。PPT 因比冲高、体积小、质量轻、结构简单和耐用，以及所需星上电源功率小等优点，在小卫星研究领域得到了越来越多的重视。它可用于小卫星的位置保持、阻力补偿和姿态控制，实现小卫星的精确编队飞行，也能作为小航天器的主推进系统，用于轨道提升和近地轨道任务的寿命延长。 1.2国内外研究与发展现状 1.3存在的问题及研究方向 目前PPT技术的研究重点是提高电容器的寿命和推进剂利用率，从而提高发动机的效率，减小系统质量。为此需开发的关键技术主要有： 采用先进的电源系统、电容器，以及高度集成和一体化的电源处理系统。其中，高能量密度和长寿命贮能电容器技术可减少电容的热损失，提高电路效率;功率转化装置可提高集成度，减小质量，并提高系统寿命。研制超导等新型储能元件。 研究具有推进剂利用率高、电源功率小、比冲高等优点的先进气体或液体推进剂PPT，对烧蚀式固体PPT进行改进，减少未受电磁加速的慢速成分的生成量，或加速慢速成分，以提高排气速度。 研究先进的试验设备和测试仪器系统。PPT测试的关键是以足够的精度和分辨率直接测得推力和冲量。需要发展小推力(小于2mN) 和极小冲量(101000μN•s～1000μN•s)PPT所需的高精度测量技术，尽量避免机械和电路连接对推力测量的影响。开发再现性好、可控、精密、动态范围宽的力标定系统。测试系统可灵活多用，具有多分力测量系统，以能进行遥测为佳，减少电缆和连线造成的漂移、延迟或降低信噪比。为在地面模拟PPT工作的低温真空环境，需在真空舱中对PPT进行推力、冲量测量，羽流特征测试，热真空试验和电磁干扰试验等测试。 PPT工作过程的建模与仿真，其中包括PPT非稳态、高密度、相互碰撞和部分离子化的等离子体羽流的试验研究、理论建模与分析。需要对PPT内的等离子流动进行磁流体动力学建模和分析，PPT的等离子体流动、推进剂传热、电极烧蚀和电路分析的耦合计算。为增进对PPT羽流的了解，提高PPT羽流和航天器相互作用的预测能力，需要进一步研究:羽流场中组分和能量的分配；回流污染的测量和评估；羽流的三文特征；离子化和再化合的机理；其他化学反应以及羽流中电流的耦合作用。 1.4本文所做的主要工作 本课题的主要任务是研究为满足微小型航空航天飞行器姿态调整和轨道校正所需的微型脉冲等离子体推力器的工作机理和工作特性。为此，论文的主要工作包括： 1） 以聚四氟乙烯（特氟龙）为消融材料，以电容为储能器件，设计三电极结构的同轴型等离子体推力器。在脉冲点火信号的作用下，可靠地放电产生消融等离子体羽流； 2） 进行等离子体推力器试验研究，测量放电过程电压、电流变化参数以及推进剂烧蚀特性参数。 2 PPT结构设计及实验研究 2.1同轴型微PPT选用依据 采用同轴型固体工质脉冲等离子体微型推力器(以下简称同轴型微 PPT)是一种比较合适的方案，有以下的依据： 1)相对于用气体和胶体作工质的微型推力器来说，采用固体工质不存在工质的泄漏问题，可以大大的简化推力器的工质供应系统，从而大大减少整个系统的体积和重量，并增加了可靠性。 (责任编辑：qin) |