小功率N2推进剂电弧推力器工作过程和性能实验

电弧推力器（arcjet)因其高推力／功率比，高推力密度等特点成为当前国际上电火箭研究和应用的热点，文章描述了arcjet的内部工作机理，介绍其实验和工作参数测量方案，针对小卫星使用N2作为推进剂，对4种不同结构尺寸的小功率arcjet进行了不同工况下的性能实验，给出步的发动机工作性能参数及实验结果分析，实验结果表明优化推力器工作参数并合理设计其结构尺寸可提高推力器性能。所得结论对小功率N2arcjet推力器的优化设计具有的参考价值。     

小功率N_2推进剂电弧推力器工作过程和性能实验

电弧推力器 (arcjet)因其高推力 /功率比、高推力密度等特点成为当前国际上电火箭研究和应用的热点。文章描述了 arcjet的内部工作机理 ,介绍其实验和工作参数测量方案 ,针对小卫星使用 N2 作为推进剂 ,对 4种不同结构尺寸的小功率 arcjet进行了不同工况下的性能实验 ,给出初步的发动机工作性能参数及实验结果分析。实验结果表明优化推力器工作参数并合理设计其结构尺寸可提高推力器性能。所得结论对小功率 N2 arcjet推力器的优化设计具有的参考价值。     

1 mN射频离子推力器参数与性能分析

射频离子推力器是空间电推进的一种,其推力性能是系统设计的核心问题。为获得推力特性随设计参数的变化规律,采用数值计算方法进行了研究,开展了1 mN射频离子推力器设计计算,对不同放电室尺寸、流量、射频功率、屏栅电压下的推力性能进行了分析并进行了工况优化。结果表明,模型能够正确地描述射频离子推力器性能变化规律,放电室内径25 mm的推力器即可以实现1 mN推力指标,在最优工况下,推力器推力1.176 mN,比冲2 503 s,效率53.13%,满足设计要求。根据该模型研制的推力器样机成功点火,验证了数值模型的有效性,可以利用该模型为射频离子推力器研制工作提供指导。     

肼催化分解产物电弧推力器的实验研究

电弧加热发动机以肼为推进剂不仅可与肼化学推进有高度兼容性,而且可作为在肼化学推力器后以电热增强方式来增大其比冲,因此肼催化分解产物在电弧推力器中的工作性能研究就显得尤为重要.在真空环境下,分别采用氮气、氨气及氮氨氢混合气体(模拟肼的分解产物)和预加热混合气体作为推进剂,系统地测试了电弧推力器在不同工况下的性能参数.对比了不同单一工质对推力器性能的影响,并分析了模拟肼分解产物混合工质的性能变化,比较了混合工质成份变化和改变预热温度对发动机性能的影响,最终得到了混合工质成份变化对发动机性能影响的规律.     

霍尔推力器工作性能数值模拟研究

为了模拟霍尔推力器推力、比冲等工作性能,采用粒子网格单元与蒙特卡洛相结合(PIC/MCC)方法,建立了霍尔推力器二维轴对称模型。模型中电子和离子均采用粒子描述,中性原子为背景气体,自洽电势通过求解泊松方程获得。跟踪推力器出口处离开的离子数量、轴向速度等信息,通过统计计算得到推力器的推力、比冲。以LHT100推力器为研究对象,针对不同的工作参数(阳极流量在4.6~5.4 mg/s,阳极电压在280~320 V之间)共进行了9种工况数值模拟,并进行试验对比验证,模拟结果与试验测试结果均较好吻合,最大误差小于10%。     

低功率氮气电弧加热推力器稳定性的实验研究

电弧加热推力器的稳定性是关系到推力器可靠性和寿命的关键问题。在分析影响稳定性的各种因素基础上,对传统低功率氮气电弧加热推力器进行性能测试,并总结了影响推力器稳定工作参数的原因,通过改进推力器的阳极结构,人为地将阳极弧点位置约束在扩张段,在工作稳定性和烧蚀方面获得了明显改善。     

附加场强度对低工况AF-MPDT性能的影响

附加磁场强度与位形是大功率磁等离子体动力推力器(Applied Field Magnetoplasmadynamic Thruster, AF-MPDT)重要工作参数之一。为验证附加磁场强度对低工况下AF-MPDT性能的影响,采用北京控制工程研究所联合北京航空航天大学研制的100 kW级AF-MPDT原理样机,利用推力靶测量系统进行高温震动环境下的推力测量,针对不同附加磁场强度(30～230 mT)下的推力器开展中低功率性能研究实验。实验结果表明,在一定范围内,增加磁场强度可提升低工况下推力器推力、比冲、放电电压及效率等性能指标,并且放电电流越大,性能提升效果越明显。分析表明,低工况下AF-MPDT推力、比冲与磁场强度的平方根呈线性关系;推力器放电电压与磁场强度呈线性关系;推力器效率随磁场强度增强而增加,最终达到相应工况下的极限。     

考虑负载均衡的过驱动航天器推力器分配方法

以过驱动航天器的推力器控制分配误差最小、推力器负载均衡等为设计目标,构建航天器推力分配混合优化模型,并将其转化为线性规划模型进行求解,提出了一种考虑负载均衡的航天器推力器动态分配算法。该算法在确保分配误差最小前提下,能够降低各推力器的最大分配推力之差,有效均衡各推力器总工作时长和开关次数,进而延长推进系统的整体工作寿命。进一步定义了表征负载均衡性能的推力平衡度和干扰敏感度性能指标,并在此基础上给出了一种分配算法负载均能能力的定量化评价方法。在仿真验证中,采用平衡度和敏感度对算法性能进行定量评估,结果表明该方法在保证控制性能和控制分配误差的前提下,能够有效均衡各推力器最大推力,提高了系统的平衡度和对扰动力矩的鲁棒性。     

离子液体电喷推力器的关键技术及展望

首先介绍离子液体电喷推力器的工作原理和分类，通过与其他相同推力量级的电推力器对比进一步分析了其特点，然后总结了离子液体电喷推力器的国内外研究现状，在此基础上重点梳理了微尺度下带电粒子的产生与加速、微细制造与精密装配、推进剂贮存和供给、高升压比微功率电源处理单元以及比冲和推力测试等离子液体电喷推力器研制过程中涉及的关键技术，最后展望了小型化、模块化与推力密度提升的发展趋势并提出离子液体电喷推力器的发展构想。     

离子液体静电喷雾推力器研究进展及关键技术

综合文献及作者实践，介绍了离子液体静电喷雾推力器(ILET)的工作原理和特点。从ILET工作过程数值分析研究、结构研究、性能测试及束流诊断三方面总结了离子液体静电喷雾推力器的研究现状。在此基础之上总结和评述了数值模拟技术、高精度制造与装配、微功率高压电源、推力器性能测试等推力器研制过程涉及的关键技术及存在的困难。最后针对离子液体静电喷雾推力器技术和未来应用，给出了相关认识和建议。     

低功率水电弧加热发动机的初步研究

本文研究了以水为推进剂的电弧加热发动机。其中电弧加热发动机的流量为15mg/s、电流为8A,此时平均电压为80.5V、功率约为640W、平均推力为0.0975N,以此计算得到比冲为650s左右、效率为55%～60%。成功地验证了水做为电弧加热发动机的推进剂、产生推力的能力。     

液体远地点发动机推力室工作过程数值仿真

研究了远地点发动机(N2O4／MMH)的推力室工作过程，考虑了自燃推进剂的雾化、蒸发以及化学反应流动过程，采用交错网格系统的SIMPLE算法，得到了不同边区冷却流量对推力室的内流场和燃烧效率的影响结果，数值计算的结果与理论分析相符合，为推力室工作过程的稳定性分析提供了重要参考。     

Experimental investigations of the 10 N catalytic hydrazine thruster

Experimental investigations of the 10 N catalytic hydrazine thruster are reported. These thrusters find applications in orbit raising functions of a spacecraft. The hardware was realized and tested in a vacuum chamber (10^?3 mbar vacuum) for its performance. When tested at the design propellant supply pressure of 21.5 bar the thruster developed 10.25 N thrust at an operating chamber pressure of 16.4 bar. The thruster was also tested for off-design conditions (24, 18 and 14.5 bar propellant supply pressures) of operation to determine the steady-state performance. The chamber pressure and vacuum thrust follow more or less a linear law with the propellant-supply pressure. The thruster was also tested for its response characteristics for short (100 ms) firing durations at various propellant-supply pressures (15.5, 18.8, 22.5, 25.6 and 29.5 bar) and the experimental results are reported and discussed. The hydrazine was injected at the room temperature (300^±5 K).     

A performance comparison of ultrasonically aided electric propulsion extractor configurations

As a novel propulsion technology, ultrasonically aided electric propulsion (UAEP) offers a high specific impulse and a high thrust density. In this paper, the effects of extractor grid configuration on performance of a UAEP thruster have been investigated by both experimental studies and numerical simulation. Relationships between spray current and operation parameters, including applied voltage, propellant flow rate, and vibration power and frequency, are explored for different extractor mesh sizes and shapes. Numerical simulation is also carried out for a better understanding of the formation of capillary standing waves as well as the electric field distribution in the acceleration zone. Experimental results show that compared with a circular shaped extractor, a reticular shaped extractor is able to produce a higher spray current. The current density increases with a denser mesh, which agrees well with the numerical simulation results. This phenomenon indicates that optimizing extractors with appropriate shapes and sizes can be an effective way to improve the performance of a UAEP system. A performance evaluation based on hydrodynamic and electrostatic calculations indicates that the present UAEP system can produce a thrust competitive to that of the colloid thruster with an emitter array.     

一次火箭流量对RBCC性能影响的数值和实验研究

利用三维两相数值计算方法和地面直联试验系统,开展了不同来流速度下一次火箭流量变化对发动机性能的影响。数值研究结果表明,在不同来流条件下,一次流流量的增加对发动机推力和比冲的贡献不同,在低速条件时,一次火箭流量的增加对来流空气的加热以及缩短二次燃料的雾化蒸发时间和距离起着积极的作用,对性能的提高有一定作用;当来流速度较高时,过大一次流流量对流动通道产生了阻塞效应,造成对推力和比冲贡献作用的减小。试验结果验证了数值研究得到的规律,特别在高马赫数条件下,一次火箭流量的增加对推力和比冲的贡献是减小的,且飞行速度越高,这种贡献越小。无论低速还是高速来流条件,存在着一个优化的一次流流量,这对提高发动机性能有很大好处。     

Hybrid rocket engine,theoretical model and experiment

The purpose of this paper is to build a theoretical model for the hybrid rocket engine/motor and to validate it using experimental results. The work approaches the main problems of the hybrid motor: the scalability, the stability/controllability of the operating parameters and the increasing of the solid fuel regression rate. At first, we focus on theoretical models for hybrid rocket motor and compare the results with already available experimental data from various research groups. A primary computation model is presented together with results from a numerical algorithm based on a computational model. We present theoretical predictions for several commercial hybrid rocket motors, having different scales and compare them with experimental measurements of those hybrid rocket motors. Next the paper focuses on tribrid rocket motor concept, which by supplementary liquid fuel injection can improve the thrust controllability. A complementary computation model is also presented to estimate regression rate increase of solid fuel doped with oxidizer. Finally, the stability of the hybrid rocket motor is investigated using Liapunov theory. Stability coefficients obtained are dependent on burning parameters while the stability and command matrixes are identified. The paper presents thoroughly the input data of the model, which ensures the reproducibility of the numerical results by independent researchers.     

利用TDLAS技术评估火箭基组合循环发动机试验性能

针对宽范围工作的火箭基组合循环（RBCC）发动机推力、比冲和燃烧效率等性能难以通过关键参数的实时测量直接计算的问题,提出利用可调谐二极管激光器吸收光谱（TDLAS）技术实现发动机燃气温度、H2O组分浓度和速度多参数同时实时在线非接触式激光光谱测量方法,搭建用于RBCC地面试验性能分析的时分复用-扫描波长TDLAS系统。通过试验获得的(7444.352+7444.371)/7185.597cm -1 谱线附近吸收光谱,从而得到燃气温度、H2O组分浓度和速度参数,并结合数值模拟方法确定的流场参数纵向分布,实现基于关键参数在线测量的发动机性能直接计算。该方法有助于评判燃烧组织和结构改变对发动机性能的影响。     

喉栓式变推力发动机性能研究

利用建立的等效喉部面积计算方法,确定了喉栓式变推力发动机中喉栓构型、喉栓位置、喉部面积之间的重要关系,比较了不同构型发动机推力调节性能的差异。针对喉栓介入后发动机内复杂波系、流动分离等非传统流动现象开展稳态数值模拟,预示了变推力过程中发动机的整体性能;并将计算的稳态平衡压强、推力与原理样机的试验数据进行了对比,结果较为一致,验证了变推力的可行性和数值模型的有效性。所得结论可为变推力固体火箭发动机的设计、试验及应用提供参考依据。     

液氧温度对某液氧液氢发动机性能影响研究

结合某液氧液氢发动机实际飞行中二次工作段入口液氧温度升高和推力下降现象,分析了液氧温度对发动机性能的影响方式和修正方法.通过过冷液氧的发动机试验,对液氧温度影响性能的两种方式分别进行了修正,可将某液氧液氢发动机二次工作段推力与一次工作段的偏差降低约24％,将发动机飞行燃烧室压力与交付值的偏差降低约8％.