微型脉冲等离子体推力器设计及推进剂烧蚀特性研究(4)
时间:2017-06-15 20:08 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
同轴型微PPT具有以下优点： 1) 尺寸小、重量轻，可以大大减少推力器的重量。 2) 高比冲、高效率，由于采用了比传统的平行板电极PPT更先进的同轴放电结构和更高的放电电压，该微型推力器比传统的平行板电极PPT具有更高的比冲和效率。 3) 寿命长、可靠性性高，采用了无移动部件的结构设计和精密加工，整个推力器没有任何的移动部件。美国空军研究院(AFRL)曾经做过相关的寿命测试研究，实验证明，该推力器可以连续稳定工作 500，000s 以上。 2.3 三电极结构PPT电极设计 同轴微PPT的设计涵盖了物理学中的电、热、磁等诸多方面，至今没有一套完整的精确理论能够详尽地说明它。选定一个方案，有时不是以最优化的角度出发的，因为同轴微PPT还处在理论分析，设计制造和初步试验的阶段，所以为方便实用，现有的实验条件允许也是非常重要的一个考虑因素。以下对推力器的点火方式、电极材料、推进剂等进行讨论。 2.3.1点火方式 PPT的点火方式一般有自激放电和外部激发放电两种。自激放电是利用阴极、阳极间的高电压击穿产生放电，其工作电压就是推进剂的击穿电压，同轴型的微PPT大多采用自激放电。由于没有点火电路和火花塞，因而无法对放电进行控制。同时，由于放电过程中推进剂的损耗也伴随着电极的损耗，使得击穿电压产生波动，每次放电的能量和电压不稳定，产生的推力不恒定。外部激发放电多采用单独的点火电路，通过火花塞放电点燃PPT的主放电，大多数PPT采用这种方式。点火电路根据其储能方式还可以进一步分为电感储能放电电路和电容储能放电电路等。激光诱导放电是近几年新出现的外部激发放电点火方式，其原理是通过激光烧蚀推进剂表面，产生部分等离子体，从而诱发主放电[ 15 ]。 基于上述原因，本文设计了三电极结构实现对放电进行控制。 2.3.2电极材料 由于同轴型微PPT放电时是否需要电极材料随工质一齐融化 ，有电极均不融化、电极均融化、放电电极融化三种模型如图4所示： 图4 工质消耗时的三种电极融化模型 对上述的三种模型，第一种模型最容易实现，只要采用熔点比较高的材料，在工质(聚四氟乙烯)融化时还没有达到电极材料的熔点就行了。但在长时间的工作后放电电压会变得很高。这样就无形中增加了对工作电容的耐压要求，同时放电过程参数也会发生很大变化；第二种模型最难实现，因为即使找到比较容易融解的电极材料，也很难保证中间电极均匀的融化，电极融化不均匀就会造成放电的不均匀； 第三种模型是一个折衷的方案，保留了一和二的部分优点而没有明显的缺点。 由于同轴型微PPT要求导电率良好，一般从经济而易于加工的角度，有铜和铝两种材料可供使用。国外的研究表明：用铜做电极材料就可以获得比较理想的效果。本文采用的是第三种方案，采用了铜作为电极。 2.3.3推进剂 脉冲等离子体推力器一般都采用聚四氟乙烯（Teflon）作推进剂，即工质。国内和国外都进行了一些实验，寻找聚四氟乙烯的替代品，以提高工质的利用效率，如在聚四氟乙烯中掺杂一些其它物质和用其它塑料，但比起纯净的聚四氟乙烯，效果并不理想。美国俄亥俄(Ohio)大学 P. J. Turchi指出， 用分子量小的工质代替聚四氟乙烯，可以提高脉冲等离子体推力器的比冲。美国空军研究院致力于推进剂的研究，他们采用层状推进剂，在提高推进剂利用率的同时减少对电极的污染。本项目由于国内条件的限制，仍使用聚四氟乙烯作工质 聚四氟乙烯的性质如表1所示： (责任编辑：qin) |