脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究

为了对脉冲等离子体电磁加速机理有清晰的认识，为后续推力器性能的优化和产品的小型化提供理论基础,需要对脉冲等离子体推力器的特性进行数值研究。利用包含电容、电感、平行板电极、等离子体的一维集成电路模型,开展了脉冲等离子体推力器的数值模拟研究。通过改变初始放电电压和电极间距的大小，系统地研究了脉冲等离子体推力器的初始放电电压、电极间距对推力器电磁加速的影响。结果表明，在其他参数不变的情况下，推力器的推力、比冲、元冲量，以及等离子体的密度、温度随推力器初始放电电压的增加而增加；同样，增加电极间距也能够提高推力器的推力、比冲；然而，电极间的阻抗会随电极间距的增加而增加，导致推力器的点火难度也随之增加，因此脉冲等离子体的电极间距存在一个最优值。     

烧蚀型脉冲等离子体推力器能量分配机理

脉冲等离子体推力器（以下简称PPT）效率低下的缺点一直为使用者所诟病,但过去对其能量分配机理的研究十分匮乏,难以为高效率PPT的设计提供参考。针对这一现状,本研究以平板式烧蚀型PPT为对象,对推力器在4种不同放电能量（能量比1：2：3：4）下工作的电压、电流和脉冲烧蚀质量进行测量,并根据测量结果估算PPT的元冲量、比冲、效率等推进性能。此外,本研究还建立了能估算PPT推进剂利用率的数值模型,并用该模型分析实验研究结果。研究结果表明,能量利用率和推进剂利用率低下同时导致PPT推力器效率低下,随着放电能量的增加,PPT的能量利用率和推力器效率上升,分别从5.07%和2.88%逐渐提高至16.46%和5.23%,但推进剂利用率反而降低,由56.8%逐渐降低至31.8%。     

从束之高阁到趋之若鹜

什么叫“比冲”?推力器的性能常用“比冲”来表示。比冲就是每秒钟喷出1千克工质所产生的推力大小。比冲越高,说明产生同样大小的推力所需消耗的工质越少,效率越高。所以,电推力器的比冲比化学推进系统高几倍至几十倍。但是,比冲高的推力器,推力不一定大,火箭的推力等于每秒钟喷出物质的质量与比冲的乘积,电推力器喷出物质的流量是很微小的,故产生推力也很微弱,一般为几毫牛至几百毫牛。     

一种提高空心阴极推力器推力的发射体外置方法

为提高空心阴极推力器的比冲,研究了空心阴极发射体外置的方法,对比研究了发射体外置和内置两种结构的空心阴极推力器的推力和比冲,发现发射体外置的结构相比较于内置结构能够增加推力器的推力和比冲。进一步研究发现,发射体外置的空心阴极推力器引出的离子电流、离子能量要明显高于发射体内置的空心阴极推力器,可以推断发射体外置的阴极推力器存在离子加速喷出增大推力和比冲的机制。     

N2O单组元微推力器性能分析及试验

N₂O单组元微推进是当前微推进领域的一个热点问题.在N₂O催化分解热力计算的基础上开展了对N₂O单组元微推力器比冲性能影响因素的分析,分析结果表明微推力器比冲与N₂O分解效率及喷管扩张比有密切关系.所开展的亚牛级N₂O单元微推力器催化分解试验结果表明所设计N₂O单元推力器能在250℃初温条件下启动,初步验证了N₂O单元微推力器的可行性;也揭示了推力室结构及床载大小对亚牛级N₂O单元微推力器性能的影响,为进一步的结构及试验设计提供了参考.     

新型固体工质脉冲等离子体推力器试验研究

脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster，PPT）因其推力小、质量轻、功率低等特点，被认为是微小卫星执行某些推进任务的电推进装置之一，但因效率低下，一直为人所诟病。针对这一现状，将聚四氟乙烯（PTFE）掺入质量配比为2%、5%（6%）、10%和15%的铜和碳,制成掺铜工质（PTFE-Cu）和掺碳工质（PTFE-C）。在3种不同放电能量（1J、1.44J、2.25J）下，测量PPT使用这些工质工作时的电压、电流和脉冲烧蚀质量，并根据结果估算PPT的元冲量、比冲、效率等推进性能。此外，还基于发射光谱理论，对等离子体的种类、特性进行了诊断研究。研究结果表明，烧蚀质量随掺杂量的增加而增加；元冲量随着掺碳量的增加而增加，PTFE-Cu-10%的元冲量最大，为56.47(μN?s)；使用PTFE-C-2%和PTFE-Cu-10%时，PPT的性能最好；掺碳和铜在一定程度上促进了PPT的电离过程，进而提高了推力器效率。     

自由分子流微电热推力器流动模拟与性能预示

为了精确的预示自由分子流推力器(FMMR)在不同工质、工况下的性能,采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法模拟FMMR内气体流动,计算了不同工质气体、工作压强和加热温度条件下的FMMR推力、比冲等性能,分析了工质、工作压强和加热温度对FMMR性能的影响。计算和分析结果表明,工质气体的选择不影响FMMR的推力性能,但随着工质气体相对分子质量的减小,推力器比冲迅速增加;在总压50~500Pa,温度300~600K条件下,推力器的比冲随总压和加热温度的增大而增加,推力随加热温度增大而减小,随总压增大而增大。     

磁屏尺寸对霍尔推力器性能影响的仿真研究

磁屏作为霍尔推力器磁路系统的重要组成部分,其尺寸对磁感应强度分布具有重要影响。为探究其中的影响规律,以一台低功率霍尔推力器为研究对象,首先采用Maxwell有限元方法软件对磁屏在不同的轴向和径向尺寸下形成的磁场进行仿真,结果表明一组尺寸使推力器磁场位形达到最优。然后以该尺寸作为设计标准,采用PIC方法对霍尔推力器在阳极电压及气体流量分别为200 V及0.8 mg/s条件下放电通道内等离子参数分布进行仿真。最后根据离子速度和数密度等参数,计算得到推力器的推力、阳极比冲和阳极效率分别约为6.9 mN、880 s及41.89%。该仿真为霍尔推力器的磁场设计提供理论依据,为未来的实验研究提供数值参考。     

立方体式考夫曼离子推力器极靴结构设计

考夫曼离子推力器因具有高比冲、高效率、长寿命等特点,是应用于航天器电推进类型之一。过去研究主要集中在轴对称柱状结构考夫曼离子推力器,然而对于未来模块化立方体卫星,立方体构型推力器非常适合多推力器的组合、多推力器羽流集中中和,结构紧密并且减少航天器附件。为此,基于自主设计的立方体式考夫曼离子推力器,采用三维数值仿真方法对推力器放电室进行了计算分析,获取了不同阴极极靴内径下推力器放电室磁场分布,对比研究了不同极靴构型下放电室电子密度分布和电子温度分布。结果发现,增大阴极极靴内径使得磁场分布均匀性变差,放电室内壁电子温度升高,电子损耗增大,放电室出口离子密度降低。因此,对于本立方体考夫曼离子推力器,长宽高为15mm×12.5mm×15mm的阴极极靴构型最佳,既可保持较低的壁面电子温度,又有利推力器出口的离子均匀性。     

LHT40低功率霍尔推力器放电特性试验

为了获得300W级混合励磁模式低功率霍尔推力器的放电特性,采用一套高精度激光微推力测量装置和集成离子流诊断装置获得推力器不同工况下推力、比冲、效率、束流发散角和质量利用效率的变化特性。试验结果表明,推力器的推力、比冲、阳极效率在200～300V存在一个最大值;放电电流、放电电压呈现无阻尼谐波振荡特性,其一阶频率大约4.05kHz。在恒定电场和磁场下,推力器束流离子电流密度呈现双极扩散的结构;阳极流率增大至0.95mg/s时,离子电流密度呈现典型的双峰结构,质量利用效率与质量流率呈现正相关的特性。     

霍尔推力器分割高偏压电极等离子体放电特性

霍尔推力器通道等离子体与壁面有很强的相互作用,为了降低壁面腐蚀,提高在轨寿命, 针对推力器全通道放电过程建立二维物理模型,采用粒子模拟方法（Particle In Cell）,数值研究了电离区壁面分割高于阳极偏压的低发射石墨电极对推力器放电特性的影响,讨论了放电通道电势、离子数密度、电子温度、电离速率及比冲的变化规律。结果表明：在电离区不同位置分割高偏压电极对等离子体放电特性影响明显,电极位置在电离区前端时,电极偏压高于阳极电压60V时通道内放电等离子体参数几乎不变。而电极位置在电离区末端,电极偏压高于阳极电压18V时就会导致加速区轴向扩张,离子聚焦效果强,电子温度显著升高,电子与壁面相互作用减弱,羽流发散角减小。由此推力器比冲提升约12%,寿命延长,性能提高。     

等离子推进无人机的电空气动力学研究

针对一种新兴的等离子推进无人机概念开展其电空气动力学研究，并通过数值仿真论证等离子推进系统作为无人机主推力系统的可行性。等离子推进无人机的飞行原理是利用一种非对称高压电极组电晕放电实现空气电离，并通过高压电场实现离子加速，从而产生推力推动无人机飞行。相比于传统无人机，等离子推进无人机具有较低机械疲劳、飞行噪音小和能量利用效率高的优点。本文完成了等离子推进无人机组成设计，并对单等离子推进器和等离子推进无人机整体电空气动力学进行了理论研究和数值仿真。单等离子推进器数值仿真结果表明，随着工作电压的升高，单位长度推进器所能产生的推力单调递增。且在相同施加电压情况下，等离子推进器电极间隙越小，所能产生的推力越大。等离子推进无人机飞行仿真结果表明，通过优化等离子推进器结构，施加足够高的电极组电压，等离子推进无人机能够实现稳定飞行。     

基于支持向量机的卫星执行机构故障诊断研究

针对脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster,PPT）作为执行机构的微纳卫星姿态控制系统故障问题,采用了支持向量(Support Vector Machine,SVM)技术对脉冲等离子体推力器的两种常见故障进行检测与隔离。运用自适应遗传算法优化墨西哥草帽小波核函数参数,并结合小波分析,提高了SVM分类器的超平面寻优效率与泛化能力。最后,通过仿真分析,验证了该方法可快速准确地完成故障诊断任务,也证明了小波核函数支持向量机技术在故障诊断方面的先进性与有效性。     

平面感应式脉冲等离子体推力器高速脉冲气体供给阀的试验验证

摘要： 本文针对国防科技大学的平面感应脉冲等离子体推力器（IPPT）原型机，设计了一种基于感应涡流斥力原理的快速脉冲气体供给阀.该阀采用截锥型铍青铜簧片作为执行构件，依靠簧片开启过程中弹性变形产生的弹力提供闭合所需回复力，避免了使用额外的回复力机构,使阀整体结构得到极大简化.性能测试结果表明，该阀的动作延迟时间小于35 μs.在阀腔气体压力为100 kPa时，最大单脉冲供气量为2.5 mg.响应特性和供气量特性均满足目前IPPT原型机的需求.此外，该阀可通过调节初始充电电压和阀腔气体压力实现供气量调节.该阀可以为后续推力器原型机多工况性能试验提供有力支持.     

M5型微波离子推力器10000h寿命试验

微波离子电推力器具有体积小、无热阴极、启动时间快、工作寿命长等优点,非常适用于空间推进领域。为了验证上海航天控制技术研究所研制的一款百瓦级电推力器M5型微波离子推力器的寿命,进行了10000h的寿命和10000次重复启动考核实验,在实验过程中,测试推力器工作性能参数和启动性能,通过对测试数据的分析来判断推力器的工作状态。实验表明M5型微波离子推力器连续累计工作10000h后,性能指标满足设计要求,累计重复启动10000次后启动性能未出现明显下降。证明M5型微波离子推力器寿命超过10000h,重复启动次数大于10000次。     

脉冲等离子体推力器微推力测试技术的述评

对脉冲等离子体推力器(PPT)的微推力测试技术,并对几种典型的进行单脉冲冲量、平均推力等参数测量的推力测试系统和手段进行了描述和分析,对PPT微推力测试过程的细节进行了初步探讨,可为PPT微推力测试和研究提供有益参考。     

微阴极电弧推力器羽流探针诊断研究

微阴极电弧推力器（micro-cathode arc thruster,μCAT）具备功率低和结构简单的特点,能够满足微纳卫星的任务需求,具有良好的发展前景。μCAT羽流的诊断可以揭示推力器的加速机理,对提高其性能具有重要意义。利用朗缪尔三探针对μCAT羽流进行诊断,得到了μCAT羽流不同位置的电子温度、电子密度和离子速度等羽流特性,研究了外加磁场、充电时间和阴极材料对羽流特性的影响。研究结果表明,μCAT放电初期产生的等离子体电子温度较高,密度较大;随着等离子体向下游运动,电子温度和电子密度降低,离子速度增大;外加磁场的磁感应强度越强,电子温度和离子速度越高,电子密度有所降低;磁场位置适当向推力器下游平移,能够有效提高推力器中轴线的电子密度;μCAT充电时间越长,电子温度、电子密度和离子速度越大;相比于CuW和AgW阴极,Ti阴极羽流的电子温度更高,电子密度更低。     

高比冲霍尔推力器启动特性研究

高比冲霍尔推力器从霍尔推力器研制初期就得到重视，但是与工程应用相关的参数对比、电流变化和振荡特性特的研究较少。通过测量推力器在不同工况下推力大小、电流变化和电流振荡波形，给出了HET 80HP高比冲霍尔推力器的性能特点和启动特性。研究结果表明,HET 80HP高比冲霍尔推力器相对于传统霍尔推力器，在较大流量和较高放电电压工况下具有更好的性能。冷启动时，正常磁场情况下放电电流存在电流尖峰，并且需要较长的时间才能达到相对稳定。不同磁场位形热启动情况下电流的变化过程表明，电流尖峰是否存在主要与磁场位形有关，启动时温度的高低与电流尖峰是否存在没有明显关系。此外，通过对比不同磁场下推力器比冲和平均频率的变化可知，推力器低频振荡平均频率的高低能够较好地反映推力器比冲的大小。