脉冲等离子体推力器电源处理单元技术研究

为了进一步提高脉冲等离子体推力器点火的可靠性和使用寿命,采用理论计算和地面试验的方法,设计了一款可应用于立方体纳卫星脉冲等离子体推力器放电能量为2.6J的电源处理单元,其放电点火电路是基于LC振荡电路,且对放电点火电路的性能、开关管的电流应力和整个电源处理单元的稳定可靠性进行了研究。结果表明:LC振荡放电点火电路中,开关器件的电流应力较小,提高了整个电路的可靠性;该放电点火电路在输入电压800V时,点火电流的峰值可达到100A～150A,这种大电流放电有助于清除火花塞表面的积碳。     

脉冲等离子体推力器电源处理单元技术研究

为了进一步提高脉冲等离子体推力器点火的可靠性和使用寿命，采用理论计算和地面试验的方法，设计了一款可应用于立方体纳卫星脉冲等离子体推力器放电能量为2.6J的电源处理单元，其放电点火电路是基于LC振荡电路，且对放电点火电路的性能、开关管的电流应力和整个电源处理单元的稳定可靠性进行了研究。结果表明：LC振荡放电点火电路中，开关器件的电流应力较小，提高了整个电路的可靠性；该放电点火电路在输入电压800V时，点火电流的峰值可达到100A～150A，这种大电流放电有助于清除火花塞表面的积碳。     

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。     

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。     

交流驱动低温等离子体点火触发爆震可行性研究

为了克服交流驱动介质阻挡放电产生连续低温等离子体应用于脉冲爆震发动机点火的困难,通过频率控制,成功设计了按一定频率周期性地产生低温等离子体,放电参数可调,单次放电时间为0.1~1000ms频率为0.1~100Hz。等离子体点火器采用同轴电极结构,单次放电时间0.5ms实现了可燃混气点火,成功触发爆震,这些结果表明采用交流驱动低温等离子体点火触发爆震是可行的。     

脉冲等离子体推力器放电室构型参数的影响分析研究

通过开展脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster, PPT）放电试验,结合理论计算与分析,研究了放电室构型参数对推力器性能的作用机理与影响规律。结果表明：推进剂烧蚀表面附近电极间距的增大使放电电流的峰值降低;增大电极高宽比使电感梯度提高,并使电磁冲量得到提升。考虑到放电电流集中在推进剂表面附近,电流峰值主要受到放电室上游电极间距的影响,因此,采用在放电室下游增大电极扩张角的方法使电极高宽比增大,通过这种空间上的分离,能够解决增大电流峰值与提高电感梯度之间的矛盾,实现推力器电磁冲量的综合提升。相比于常规PPT所使用的矩形推进剂构型,V形的推进剂构型可有效提升推力器的气动冲量。     

瞬态等离子体点火和火花塞点火起爆过程的对比研究

为了研究瞬态等离子体点火起爆脉冲爆震发动机的可行性,设计了适用于脉冲爆震发动机的瞬态等离子体点火器,并对瞬态等离子体点火和火花塞点火的放电过程进行了对比,瞬态等离子体点火器具有更大的点火面积。在此基础上,以甲烷气为燃料,对瞬态等离子体点火和火花塞点火的爆震起爆过程进行了二维数值模拟研究,数值模拟结果表明,采用等离子体点火起爆过程引发爆震所需的爆燃到爆震时间和距离比火花塞点火起爆过程缩短了64%和22%。      

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。     

点火药量对微型脉冲推力器内弹道性能的影响

研究了用于高速动能导弹和超高速火箭弹道修正的微型脉冲推力器的三种推力—时间(F-t)曲线,发现由于脉冲推力器点火药量与主装药量之比明显高于常规固体火箭发动机该两者的比值,点火药量的多少会对推力器F-t曲线的形状和内弹道性能产生明显影响。必须严格控制点火药量,特别是引燃药剂的量,才能获得较为满意的内弹道性能。      

一种绿色无毒单组元微推力器性能试验研究

为了获得研制的一种基于绿色无毒ADN基推进剂的单组元0.2N微推力器性能,对其进行了试验研究。通过真空加热试验,获得微推力器的温启动加热性能;通过高空模拟热试车试验,获得微推力器稳态和脉冲工况下,微推力器的推力、温度分布等参数,考察微推力器的启动性能、稳态、脉冲工作稳定性,研究微推力器工作过程中推力室、前室和电磁阀温度变化规律,通过1000s长稳态点火试验,验证了微推力器长稳态工作的稳定性。结果表明,3W加热功率实现了微推力器200℃的温启动要求,微推力器完成了系列稳态、脉冲考核程序,工作过程中微推力器推力稳定,启动响应快,推力室温度最高达到1016℃。试验证明了研制的0.2N微推力器在完成结构微型化的同时,实现了微流量下推力器稳定工作,微推力器额定真空比冲大于200s,性能优良,200mN推力量级微推力器的成功研制,将进一步拓展ADN绿色无毒推进在微推进领域的应用。     

脉冲等离子体推力器点火可靠性试验研究

为了得到PPT点火可靠性表征参量的内在联系及放电能量对其影响规律,开展了传统PTFE与掺碳PTFE两种工质的可靠性试验研究,通过记录点火故障率和分析放电延迟时间,得到了不同工质PPT的点火可靠性,为PPT点火可靠性分析提供了新的研究思路。研究结果表明:在不同放电电压下,PTFE工质PPT放电延迟时间随点火次数增加的变化规律明显不同。放电电压为1kV时,放电延迟时间在1μs～15μs内变化,在初始阶段时明显增加,然后在波动中上升,并伴随有点火故障发生;放电电压为1250V和1500V时,放电延迟时间在1μs～5μs之内波动,且没有点火故障发生。两种工质的放电延迟时间均随点火故障率增加呈非线性规律变化,掺碳PTFE的放电延迟阈值与放电电压之间呈指数函数规律变化。     

异步点火相位对四冲程发动机性能影响

为研究双火花塞点火相位差对安装有预燃室的四冲程点燃式航空重油活塞发动机的整机性能的影响规律,利用AVL-Fire软件建立了发动机燃烧室的CFD模型,并验证了模型的有效性;研究异步点火相位增加对整机缸内燃烧、火焰传播和缸内爆震的影响等。结果表明:在转速为5 000 r/min,30%节气门开度、喷油量为20 mg的条件下,主燃室中火花塞点火固定在上止点前20°曲轴转角,另一个火花塞相对其分别提前4°、 8°、 12°点火。随着异步点火相位的增大,缸内平均压力、放热率及累计放热量呈现逐渐增加趋势,但爆震发生的角度逐渐向上止点移动,强度有所增加。     

On the analysis of electric arc process stability in plasma systems of ignition with allowance for GTE combustion chamber parameters

An approach to the analysis of electric arc process stability in plasma systems of ignition is considered depending on the ignition system power circuit parameters, speed of plasma-generating air, and combustion chamber inlet pressure. Also solved is the problem on determination of the calculated value of the maximum admissible speed of plasma-generating air that corresponds to the critical regime of stable arcing in plasma spark plug at the GTE start.     

Acceleration of DDT by non-thermal plasma in a single-trial detonation tube

This paper compares the flame acceleration in single-trial dual-detonation tubes triggered by a spark plug and non-thermal plasma igniter. The low-temperature plasma was generated by an in-house novel AC-driven dielectric barrier discharge igniter, which reduces the power supply requirements and was applied in the quiescent ignition of a single-trial detonation tube. Three different types of detonation mixtures were tested with flame propagation tracked by ion probes and pressure waves recorded by high-frequency pressure transducers. The flame propagation speeds were calculated and compared based on signals from the ion probes. The detonation combustion succeeded in the dual tubes, but the deflagration-to-detonation transition could be significantly accelerated by the plasma for all mixtures, as it was shortened by more than 50% compared to that of the spark plug. The present study provides a suitable technological approach for igniters of PDEs.     

基于双火花塞点火策略的活塞式航空煤油发动机爆震控制

在一台650 mL单缸活塞式航空发动机上,针对双火花塞点火方式对活塞式航空煤油发动机的爆震控制进行了试验研究。结果表明:采用两个火花塞同步点火,且将点火提前角推迟可以有效的抑制爆震,同时燃烧放热率幅值逐渐降低,整体燃烧相位逐渐推迟;采用双火花塞异步点火随着点火提前角点火相位差的增加,爆震强度逐渐降低,通过匹配主火花塞点火提前角与副火花塞点火提前角可进一步提升发动机的动力性。      

Simulation of discharge impulses in GTE capacitance ignition systems

A possibility of enhancing the energy efficiency of the capacitance ignition system by realizing the batch mode of discharge impulse generation is substantiated. Using the numerical simulation methods, a problem is solved to study the voltage-current characteristics of such discharge units as a spark discharger and a spark plug and peculiarities of discharge formation in them; the batch mode is simulated with proper account for the influence of discharge-recurrence rate upon dynamics of electric strength recovery in the discharge units. A possibility of optimizing the capacitance ignition system parameters is theoretically evaluated to provide the maximum possible quantity of discharge impulse packet energy as well as the value of their peak capacity at the specified values of supply source power, discharge-recurrence rate, and total voltage of the entire ignition system.     

脉冲等离子体推力器宏观特性数值研究

为了揭示脉冲等离子体推力器（Pulsed plasma thruster,PPT）的宏观工作特性,以传统＂弹丸＂模型为基础,提出了一种基于电磁和气动耦合加速机理的计算模型以及延时气化效应的评估方法,并与LES-6,LES-8/9 PPT进行模型验证和实验对比。结果表明,计算所获得的PPT脉冲烧蚀质量等宏观特性与实验数据吻合较好;脉冲烧蚀质量中仅有较少一部分（LES-6约10%,LES-8/9约28%）被离子化和电磁加速排出（约31.6km/s）,其余绝大部分则是在主放电结束后以中性气体混和物低速排出（约460～680m/s）;电磁加速对PPT元冲量的贡献是主要的（LES-6约77%,LES-8/9约86%）;增强电磁加速,尤其是减少延时气化效应对PPT效率的提高是十分必要的。     

水工质脉冲等离子体推进器的能量平衡和效率

通过一种同轴水工质脉冲等离子体推进器的LCR放电回路的理论分析和实验来探讨其在运行过程中的能量平衡和能量转换效率。理论分析认为储能电容中的储存能量通过放电转化为加速动能及被传输线和电容的等效电阻消耗掉,并且根据等效电阻的分配情况定义了水工质脉冲等离子体推进器的加速动能和电磁力转换效率。实验研究表明:该水工质脉冲等离子体推进器的存储能量(E0=4.86J)转换成加速动能的能量转换效率是28%,其中11%用于电磁加速及17%用于电热加速,其余72%的存储能量消耗在储能电容和传输线内阻所造成的能量损失上。     

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.