小功率氩电弧推力器性能实验研究

为了对适合小卫星使用的电弧加热推进系统的优化设计提供一定的参考,自行设计了输入电功率数瓦至数十瓦的小功率电弧等离子体推力器及其运行性能实验系统,包括一种气动小推力的间接测量系统。对四种不同喷管结构和尺寸的小功率电弧推力器,实验检测了所产生的推力随着弧电流和推进剂流量的变化。结果显示:在气流量4.5~10.5mg/s,输入功率3~35W的条件下,推力器产生的最大推力约为9.7mN,最大比冲约为110s;减小喉道直径,适当增加扩张比有助于提高小功率Arcjet的性能;当弧电流在10~110mA范围内变化时,弧电压的变化范围约为210~280V,气体的放电形式有别于传统的电弧加热推力器。      

小功率氮电弧推力器的性能

采用自然辐射冷却结构的小功率电弧推力器,实现了以氮气为推进剂的长时间稳定运行。采用间接测力方法得到推力,利用铜镜反射法拍摄喉道处的放电状态,结合测量的弧电压、弧电流和气流量数据以及导出的比冲和推力效率,对推力器运行性能和放电特性进行了研究。结果显示:在气流量为100~700mL/min,输入功率为35~55W的条件下,最大推力约为24mN,最大比冲接近175s,当弧电流为80~120mA范围内变化时,弧电压变化范围为420~520V,并且弧电压随气流量的增加呈现出先下降后上升的趋势。      

氢-氮电弧加热推力器运行参数与性能

采用氢气和氮气的摩尔比r在1.0~2.0范围的混合气体作为推进剂,实时检测电弧加热推力器运行中的弧电流、弧电压、入口压力、真空室压力、质量流量和喷口温度等工作参数,研究了比功率、r和质量流量对推力器产生的推力、比冲和推力效率的影响。实验结果表明,同时增加混合气体的质量流量和r能有效提高推力器的推力;较高的r能获得高的比冲和效率,尤其是比冲随着r的提高明显地单调上升。     

电弧加热发动机地面试验(Ⅱ)发动机电特性分析

1引言电弧加热发动机(Arcjet)的工作是依靠电弧加热气体推进剂经喷管加速后向外喷射而产生推力,发动机的性能(比冲、推进效率、寿命等)一方面与发动机的结构有关,另一方面和电弧的发电特性及电源的工作特性有关[1,2]。只有保证电源工作的伏安特性与电弧工作的伏安特性相匹配,才     

低功率电弧喷射推力器实验研究

为深入了解低功率电弧喷射推力器的启动特性和工作性能，对不同推进剂和不同结构尺寸的推力器进行了广泛的多启动实验研究。研究中建成了推进剂供给系统和真空模拟系统，研制了电源处理单元和小推力测量装置，开发了实验数据采集系统，完成了实验推力器结构设计和材料选择，并分别采用氩、氮、氨为推进剂成功地进行了点火实验。研究表明，推进剂性质对推力器启动特性和工作特性具有重大影响，推力器优化设计应该针对具体的推进剂进行并考虑适当宽广的流量范围。     

推力器射流动压分布检测与分析

采用自行设计的动压探针,测量了大气压和真空环境下冷态氮气自由/冲击射流动压分布,以及真空环境下氮/氢混合气电弧加热推力器羽流的动压分布。将动压径向分布积分所得结果与冲击平板法间接测得的推力值做了比较。结果表明,大气压环境下测得的冷态氮气自由/冲击射流动压分布呈现明显的亚声速流动的特点,真空环境下测得的冷态射流动压显示有波系存在的超声速流动状态;而氮/氢混合气电弧加热推力器羽流的动压分布中看不出羽流中明显的激波存在。在一定条件下,即在较高马赫数的超声速射流中,探针不影响气流在喷管内的膨胀过程,以及羽流速度和密度没有过分降低的区间内,动压探针测量数据径向积分的结果可以代表电弧加热推力器的推力。     

固体微推力器点火过程数值研究

为研究点火元器件加热区域受限下固体微推力器的局部点火过程,通过数值模拟手段,基于流固耦合传热模型和局部网格重构技术建立了推力器局部点火模型,研究了常压环境下的固体微推力器点火过程,分析了点火过程中推力器内燃气的流动和传热特性,并结合仿真所得推力-时间曲线与全表面点火模型和Jongkwang Lee提出的局部点火模型进行了对比。仿真结果表明,随着推进剂产生燃气往未燃推进剂表面的热反馈,推进剂燃面逐渐扩大。点火过程中喷喉燃气流速未达到声速,外界反压使微喷管内产生逆压梯度,导致喷管扩张段内出现边界层分离。由于喷管扩张段后部逆压梯度随时间增大,喷管扩张段后部回流相应加剧,从而增强了壁面表面的对流换热和燃气主流的动能耗散。模型的推力上升趋势与实际情况更加吻合。     

阳极结构对电弧加热发动机性能和稳定性的影响

为了解决电弧加热发动机在低功率和低流量下工作稳定性差导致性能下降的问题,以氮气为推进剂,比较了两种阳极结构对发动机性能的影响,采用原有阳极结构,在低功率时推力比冲性能较差,在低流量时效率较低;而在收缩段采用绝缘体代替原有钨阳极的新结构后,可使发动机的推力、比冲和热效率等性能和稳定性均有明显提高,说明通过阳极结构的改进可以人为控制弧点位置,对于低功率电弧发动机性能具有较大的影响。     

电弧喷射推力器化学非平衡数值模拟

为了准确把握电弧喷射推力器工作过程物理机理与特征,采用化学非平衡模型对不同压缩室直径下低功率氮电弧喷射推力器工作情况进行了数值模拟。模型考虑了工作过程中的分解反应、电离反应和复合反应,化学动力学模型为4组分,4反应的有限速率化学反应模型。采用二阶精度NND格式数值求解耦合电磁源项和化学反应源项的N S方程组,采用有限控制容积积分方法求解由麦克斯韦方程组推导出的电磁场方程。数值模拟的结果揭示了推力器内部电弧能量输入作用和高温电离气体的离解电离状况,给出了不同压缩室直径下推力器的推力、比冲和推进效率。结果分析表明,压缩室直径对推力器性能具有较大影响。     

1kW级肼电弧加热发动机工程样机研究

为了满足静止轨道卫星及中低轨道卫星降低重量、延长寿命的需要,北京控制工程研究所近年来开展了电弧加热发动机的研究工作,目前正在进行1kW级肼电弧加热发动机工程样机的研制。介绍了1kW级肼电弧加热发动机工程样机研制工作的进展情况。该项研制工作的目标是：完成电弧加热发动机的设计、加工和500h寿命试验。预期发动机功耗为1kW左右,比冲为4.5～5.5N.s/g,推力为75～150mN。目前已经完成了第一轮的发动机设计、加工和性能测试工作。出于安全性的考虑,目前的测试暂时是用N2和NH3的混合气体模拟肼进行的,测试获得了发动机的比冲、推力、效率等数据。在模拟肼的流量为18～30mg时,发动机的推力为100～150mN,比冲在5N.s/g左右,满足设计指标要求。预期采用单组元肼作为推进剂后,比冲将有所提高。     

环境压强对电弧喷射推力器性能的影响

为了详细研究环境压强对电弧喷射推力器性能的影响,对低功率氮氢电弧喷射推力器在不同环境压强下的工作性能进行了比较计算。采用二阶精度无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式)和经典龙格库塔方法求解耦合电磁源项的N-S方程组,采用高斯-塞德尔超松弛迭代方法数值求解电磁场方程。计算结果给出了不同环境压强下推力器的推力、比冲、推进效率和出口平面冲量密度分布。结果分析定量地阐释了环境压强对推力器性能的影响,能为推力器的实验研究及空间应用提供参考。      

Influences of characteristic parameters on starting-up process of an arcjet thruster

Arcjet thruster has been a widely used electrical propulsion technology on GEO satellites since 1993. In its long history of technical development and commercial application, lifetime verification of an arcjet thruster is always one of the most important and expensive tasks. Considering that the main life limitation of an arcjet thruster is electrode ablation and a significant share of the total ablation happens in its starting-up process, the starting-up process is studied with arc voltage signals. Through interpretation of arc voltage signals, the transfer process of the arc root on the anode surface is identified, and ΔT (the duration of the arc root transfer process) is suggested to be a characteristic parameter for fast evaluation of lifetime assessment and design optimization for an arcjet thruster. With this criterion, the influences of typical parameters on the starting-up process are established through comparison with a benchmark parameter. According to experimental results, an increase of the gas flow will obviously reduce ΔT, while a smaller swirl aperture and a longer throat channel do not have a remarkable correlation with ΔT. Moreover, with a sample of a smaller throat diameter to increase the flow velocity, a reduction of ΔT is achieved. Meanwhile, the modifications also affect the stability of arcjet thruster operation, which is also discussed.     

电弧喷射推力器内部工作过程研究综述

对电弧喷射推力器及其内部工作过程特性作了简要介绍,分析了内部工作过程对其性能的影响并对有关实验与理论研究作了概述。电弧喷射推力器内部流动具有过程复杂剧烈,空间狭小,非平衡性强烈等特点。目前在实验上,采用气动方法、静电方法、光谱方法以及激光方法等获得了内部及外部（羽流）流动过程的多种综合参数和流场参数;理论上已建立了能初步反映化学不平衡、热力学不平衡等较为复杂物理过程的数值模型,为全面认识电弧喷射推力器内部工作过程机制提供了有效的手段。     

可压流的龙格-库塔时间步进求解法及其应用

研究了用经典四阶龙格－库塔法计算可压缩流场的可行性,并将其用到了电弧喷射推力器内部等离子体流场的数值求解中。应用情况表明,在结合了局域时间步长、隐式残值光滑加速收敛措施后,本格式能够成功地计算比较复杂的可压缩气体流场以及等离子体流场。有关计算结果揭示了气体流经电弧喷射推力器通道但无电流时形成的纯气动流场以及有电流通过时形成的等离子体流场的丰富的结构和一些重要的影响因素,为研究其过程机制提供了依据。     

电弧加热发动机羽流电子温度及电子数密度的双静电探针测量

研制了一套双静电探针测量系统,对以氩气为推进剂的1kW级电弧加热发动机羽流进行了测量,得到了电子温度和电子数密度的轴向和径向分布,以及随弧电流、气流量的变化趋势。结果表明,羽流显著偏离局域热力学平衡状态,电子温度呈现复杂的分布和变化趋势。羽流轴线上的电子温度明显低于偏离轴线处的值,而电子数密度远高于偏离轴线处的值;羽流轴线上的电子温度随弧电流的增加而降低,电子数密度随弧电流的增加而增加;羽流中心区电子温度随气流量的变化趋势不明显。     

一种电推力器用小推力测量系统

为了精确测量小功率电推力器的小推力，从理论上提出了一种小推力测量的方法，即利用电磁反馈补偿方法使推力测量天平工作在随遇平衡状态（或接近于随遇平衡状态），消除气路和电路连接的影响。电磁力反馈补偿推力器产生的和。通过对电弧加热等离子体推力器（Arcjet）的热实验，测量装置测量了不同工况下的推力值。实验证明此测量方法可准确测得电推力器工作的小推力。     

小功率电弧加热发动机地面试验（Ⅰ）NH3推进剂试验和分析

1引言电弧加热式发动机(Arcjet)与冷气和化学推进系统相结合,已经在国际上得到了广泛的应用,小功率Arcjet已被证明是运行可靠、性能优良的比较理想的空间先进推力器[1,2]。美国目前在轨运行的Arcjet大都以N2H4作为推进剂,主要执行南北位置保持任务;德国IRS用于AmsatPD-3卫星的A