空间推进技术专刊——毛细管放电型脉冲等离子体推力器输出特性分析

为了研究毛细管放电型脉冲等离子体推力器输出特性,本文借助电学诊断手段展开实验研究,获得了推力器典型放电波形,系统研究了不同毛细管内径和施加电压对等离子体等效阻抗,沉积能量效率的影响规律。利用微冲量测量台架,测试了不同参数下毛细管推力器输出元冲量,并通过计算获得了推力器比冲、总体效率的变化规律。实验结果表明,当毛细管内径不断增大时,能量沉积效率不断下降,元冲量下降,比冲降低。主电容电压增大时,放电能量不断增大,能量沉积效率降低,元冲量和单次等效烧蚀质量不断增大,但推力器比冲和总体效率均先增加并趋于稳定。当毛细管腔体长度为16 mm,内径3 mm,主电容2.5 μF,充电电压为2 kV时,输出元冲量350.79±7.50 μN s,比冲531 s,总体效率可达18.3%。     

毛细管放电型脉冲等离子体推力器输出特性分析

为了研究毛细管放电型脉冲等离子体推力器输出特性,借助电学诊断手段展开实验研究,获得了推力器典型放电波形,系统研究了不同毛细管内径和施加电压对等离子体等效阻抗、沉积能量效率的影响规律。利用微冲量测量台架,测试了不同参数下毛细管推力器输出元冲量,并通过计算获得了推力器比冲、总体效率的变化规律。实验结果表明,当毛细管内径不断增大时,能量沉积效率不断下降,元冲量下降,比冲降低。主电容电压增大时,放电能量不断增大,能量沉积效率降低,元冲量和单次等效烧蚀质量不断增大,但推力器比冲和总体效率均先增加并趋于稳定。当毛细管腔体长度为16mm,内径3mm,主电容2.5μF,充电电压为2kV时,输出元冲量350.79±7.50μN?s,比冲531s,总体效率可达18.3%。     

毛细管脉冲等离子体推力器等离子羽流分团现象与等效速度测量

毛细管型脉冲等离子体推力器采用固态工质，电热加速机制，结构简单可靠，是一种具有应用价值的微纳卫星低功率电推进系统。本文建立电学和光学联合诊断系统，对毛细管脉冲等离子体推力器等离子体羽流演变过程进行了研究。由于放电电流振荡，推力器等离子体羽流存在二次建立过程。初始阶段等离子体羽流中主要包含带电粒子组分，二次建立阶段等离子体羽流主要包含中性成分。利用光电二极管阵列和窄带滤光片建立了飞行时间法，获得了不同放电电压、腔体内径和腔体长度下等离子体羽流分团的等效速度演变特性。结果表明，电热加速机制能够使带电组分和中性成分获得较为良好的加速效果（>10km/s）。在一定放电能量下，放电腔体长度小于25mm有利于获得较优性能参数。等离子体羽流等效速度结果能够较为准确地反映推力器输出比冲和效率参数变化规律，可作为推力器输出参数便捷有效的评估手段。     

激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程实验研究

为了加深对激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程的认识，本文对有无陶瓷隔离板和不同初始电压下的激光支持的脉冲等离子体推力器进行了实验研究。利用放电伏安特性对比了放电特性参数和性能参数，然后利用结合窄带滤光镜的高速摄影技术揭示了性能差异背后的物理过程变化。结果表明，陶瓷隔离板可以有效避免放电电弧对工质的烧蚀，这可以抑制滞后烧蚀的产生，从而提高推力器的推进性能。对激光烧蚀产生的工质的电离和加速是在多次振荡放电过程中进行，而不像理想电流片模型那样只电离和加速一次。放电通道内工质的电离和加速效果最为显著的时间为放电的第2个半周期。随着初始电压的增加，单位放电能量产生的推进性能先增加后趋于平稳，然后继续增加。单位放电能量产生的推进性能在初始电压高于2050V后得到较大的提高，通过放电等离子体图像推测，这意味着附着等离子体电弧的存在对推力器性能的提高有重要影响。     

脉冲等离子体推力器烧蚀建模与仿真

为了深入地揭示平板型脉冲等离子体推力器（PPT）工作机理,通过对PPT在放电过程中的欧姆加热能量分配分析,建立了基于能量守恒原理的改进烧蚀模型,并对磁流体动力学方程中的能量方程进行了修正。结合LES-6对PPT工作过程进行了一维磁流体动力学数值仿真,获得了PPT的速度分布、放电烧蚀质量和元冲量等参数的变化过程。仿真结果表明,改进模型能正确地反映脉冲等离子体推力器工作过程,仿真得到的出口速度、元冲量与实验值吻合较好,而放电烧蚀质量则相对误差较大;当电容容量变化时,元冲量随放电能量增大呈近似的线性增长关系,放电烧蚀质量随放电能量的增大单调增加且呈非线性关系。     

两电极等离子体合成射流性能及出口构型影响仿真研究

通过将火花放电的物理效应等效为气体焦耳加热的过程,在能量方程中引入能量源项,进行了单次能量沉积下两电极等离子体合成射流的唯象模拟。提出将等离子体合成射流对外界流场的动能和热能注入分别作为表征射流"冲击效应"和"热效应"的参数。研究表明在单次放电条件下射流建立的自维持振荡过程中,射流动能和热能主要集中于主射流阶段且射流的"冲击效应"相比"热效应"衰减更快,在一个大气压下两电极激励器总的能量转化效率约为2.3%。分析了出口构型对射流的影响,研究表明收缩孔结构可以有效提高射流速度,但将导致射流动量和饱和频率的降低。     

脉冲等离子体推力器的性能分析

脉冲等离子体推力器(PPT)的性能受多方面因素的影响,包括放电参数以及推力器本体结构等。通过对脉冲等离子体推力器的工作原理和物理学模型的分析,研究了PPT的效率、比冲、推力、元冲量、推功比等性能参数与电极结构、电气参数的关系,并设计了实验,对效率、比冲、元冲量等与放电能量、电极间距的关系进行了验证。结果表明,效率、比冲、元冲量均随放电能量的提高而增大,元冲量在电极间距为50 mm时大于间距为30 mm、40 mm时的值。根据实验结果,提出了设计高性能PPT的一些优化条件,对PPT的设计有参考意义。     

水工质微波加热推力器的击穿点火与离解损失估算

对水工质微波等离子推力器(MPT),用微波击穿气体放电产生等离子体的条件,数值估算了其点火的可行性;通过化学动力学计算证明了水工质MPT中离解损失的存在,并初步估算了理解损失的大小。结果表明,在1 kW的输入功率下水工质MPT的点火启动并不特别困难,从点火到稳定工作,能量吸收从场致电离、碰撞电离转变为热电离、碰撞电离和场致电离;水在MPT工作过程中会发生离解,离解损失在各类能量损失中所占的比重较大。     

毫秒脉冲等离子体激励改善飞翼的气动性能实验

在来流速度为30m/s时,进行了毫秒脉冲介质阻挡放电等离子体激励改善飞翼气动性能的风洞实验.等离子体激励器布置在飞翼前缘,峰峰值电压为9.5kV时,放电的脉冲能量在0.1mJ/cm量级.通过六分量测力天平测力研究了脉冲激励频率和占空比对升/阻力系数、升阻比和俯仰力矩系数的作用效果.结果表明:等离子体激励可以有效改善飞翼大攻角气动特性;在最佳无量纲脉冲激励频率F+≈1时,临界失速迎角由14°提高到17°,最大升力系数提高10%;占空比对流动控制效果影响较大,减小占空比可以降低能耗,实验中最佳占空比为5%;俯仰力矩系数的变化表明施加等离子体激励改善了飞翼纵向静稳定性.      

基于电磁发射技术的新型电磁铆接设备与工艺研究

针对手工和自动化电磁铆接应用,将电磁发射的机理引入电磁铆接领域,通过该技术在电磁铆接设备的具体实现,研制了电磁铆接设备。所研制铆接设备可使铆枪的金属冲头在磁场中持续加速,获得最大的动能后撞击到铆模上,实现铆接。铆接同样规格的铆钉和安装螺栓需要的电容储能大幅度减少,因此放电时通过线圈的电流也大幅减小。可以大幅提高能量利用率,电源和铆枪体积小、重量轻、发热小、易于操作、更安全,便于实现自动化铆接。     

A brief review of alternative propellants and requirements for pulsed plasma thrusters in micropropulsion applications

Technological miniaturization has enabled the development of small satellites weighing as little as 1 kg. Unfortunately, there is still a lack of suitable efficient micropropulsion systems at these scales. The pulsed plasma thruster is a structurally simple form of electric propulsion. This simplicity also makes it ideally suited for miniaturization. Its history can be traced back to applications in satellites that are much larger than micro/nano-satellites. The vast majority of modern pulsed plasma thrusters use solid polytetrafluoroethylene (PTFE) as a propellant. Unfortunately, at lower discharge energy levels such as those necessitated by the power limitations of micro/nano-satellites, PTFE has a tendency to exhibit carbon deposition, which can ultimately lead to thruster failure. In this new era of small satellites, it is important to consider alternative propellants in the miniaturization of pulsed plasma thrusters. This brief review discusses the needs and limitations of small satellites and alternative propellants that may be able to meet these needs. Such propellants may be able to offer advantages such as a longer thruster lifetime, a higher specific impulse, or a higher thrust-to-power ratio. This would enable the development of different types of pulsed plasma thrusters that can be tailored towards specific mission requirements.     

管中激光加速器的推力形成过程

管中激光加速器是一种新型的激光推力器,弹射体在管道中被加速。利用光线追踪法,根据光线在网格中的传播路径信息,运用辐射输运方程,得到流场的能量源项;数值求解含能量源项的流体控制方程,对管道中等离子体流场激波的形成和演化过程进行了研究。模型能够模拟空气光学击穿、空气对激光能量的吸收、等离子体对激光的屏蔽作用和推力形成过程,通过计算得到冲量耦合系数为3.61×10-4N/MW,等离子体内能转化为流场动能的比例约为9%。     

Design and experimental research of a sub-Newton N2O monopropellant thruster with inner-heater

Nitrous oxide（N₂O） is a green propellant with excellent application prospects. A subNewton N₂O monopropellant thruster with inner-heater and a N₂O self-pressurization stable supply system with regenerative heat compensation are designed in this paper. The experimental research of the thruster is described, including measurements of preheating power, activation temperature, vacuum thrust, specific impulse, life-span and pulsed operation performance. By inserting t...     

脉冲等离子体推力器火花塞的性能实验

点火回路引燃脉冲等离子体推力器的主电容放电,是推力器的关键部分之一,其性能直接影响到推力器运行的成败。实验设计了脉冲等离子体推力器的点火电路和同轴型、钩型、平行电极型三种结构的火花塞。在此基础上,获得了三种火花塞的充电电压、放电电流及点火情况。结果显示,平行电极型的点火效果最佳。最后分析了三种火花塞的点火机理,获得了较好放电性能的火花塞结构形式,为脉冲等离子体推力器的稳定运行提供了重要的依据。     

同轴型微波等离子推力器磁场效应

在2.45 GHz同轴型微波等离子体推力器中加入磁场可以提高推力器的性能。这是由于磁场的存在,在推力器启动阶段会形成电子回旋共振区;稳定工作时,等离子体获得的焦尔热比没有磁场时高,这些都增加了等离子体吸收的微波能量。以氩气为工质,对外加磁场微波等离子推力器进行了实验研究,结果表明,推力器可以达到较高的耦合效率。对等离子体羽流的诊断则表明,外加磁场提高了推力器谐振腔内工质气体的电离度。     

霍尔推力器能量损失系统性评价方法

霍尔推力器典型效率在50%左右,其余能量在电离、加速、耦合等过程中耗散掉,为了明确推力器优化设计的重点方向,需要定量地研究各个物理过程中损失的能量。因此,本文从能量损失分析的角度入手研究影响霍尔推力器效率的典型物理过程及机理,建立了针对霍尔推力器能量损失的系统性评价方法,为霍尔推力器设计及优化提供理论支撑。从霍尔推力器能量转化过程入手,并以能量的最终作用对象及性质作为分类的标准,建立了新的能量损失体系,认为霍尔推力器损失的能量主要有：径向羽流动能、阳极沉积热能、壁面沉积热能、电离能、阴极耦合损失。针对各项损失能量建立了实验评估方法,实验结果显示,阳极热沉积、壁面热沉积、羽流发散导致的能量损失是制约霍尔推力器效率的主导因素,其占比分别达到5.2%、24.7%、6.1%。实验测得所有输出功率占输入阳极放电功率比例达到102.1%,经不确定度分析,认为是阳极热沉积、电离能、阴极耦合损失的高估导致的,但该方法诊断得到的各项损失相对数量级关系是确定的,利用实验校核了方法的可行性,为霍尔推力器性能以及设计水平的评价提供了新的视角。     

脉冲等离子电火箭技术及其应用

本文简要介绍脉冲等离子电火箭的工作原理及其在国外的研究和应用情况     

脉冲等离子体推力器羽流特性数值研究

以脉冲等离子体推力器羽流为研究对象,建立三维物理模型,简化并离散电子动量方程,运用单元粒子-直接模拟蒙特卡罗混合法模拟非稳态羽流流动.假定脉冲周期内推进剂粒子按正弦规律进入流场,分析流场中电势、电子、离子和原子数密度分布随着时间变化情况,并通过与已有实验数据的对比验证仿真模型.研究表明:模型能在垂直和平行于推力器极板的两个平面内预测等离子体羽流流场参数.该研究方法、结果对更深入研究脉冲等离子体推力器(PPT)羽流具有参考价值.