小型微波等离子推力器研究

 介绍约100W 功率微波等离子推力器的系统结构, 谐振模式, 电磁场分布, 电磁场、等离子体和流场的耦合, 喷管中的等离子体复合流动, 真空羽流, 原理实验样机性能及应用前景。     

圆柱谐振腔微波等离子推力器的理论计算

采用耦合求解Maxwell方程、Navier Stokes方程和Saha方程的方法,完成了圆柱谐振腔微波等离子推力器(MPT)的理论计算研究。研究结果表明,MPT稳态高效工作的前提是耦合进入谐振腔内的微波功率与工质气体流量(或腔内压强)应合理匹配,并通过1kWMPT的地面与真空实验,初步验证了理论研究结果。理论与实验研究表明,圆柱形MPT原理可行,研制出的样机实验系统启动可靠、工作稳定。     

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。     

微波等离子推力器真空实验研究

微波等离子推力器(MPT)具有寿命长、效率高和比冲高的特点，具有广泛的应用前景。通过对MPT真空实验系统，以及中(-lkW)、低(-l00W)功率MPT结构的介绍，重点论述了MPT在真空环境下的启动和稳定工作特性，并对实验结果进行了分析和讨论，给出了MPT初步性能参数。实验结果表明，在30W-lkW功率范围内，MPT真空环境下启动可靠，工作稳定；氦气(He)的比冲远高于氩气(Ar)的比冲。     

微波推力器独立系统的三丝扭摆推力测量

为了探究微波推力器的推力性能,采用三丝扭摆推力测量方法对微波推力器独立系统开展推力测量实验,同时分析三丝扭摆推力测量装置的数理模型并实验测定其不确定度,由此判断实验测量结果的可信度。推力测量结果表明,现有实验条件下三丝扭摆推力测量装置能测出不低于3mN的推力,其相对不确定度为14%;在三丝扭摆推力测量装置的推力测量范围内,没有测出微波推力器独立系统显著的推力,而是在230W微波功率输出条件下测出推力在±0.7mN范围内波动,相对不确定度大于80%。     

基于固体工质的空间微推进技术研究进展

采用固体工质的微推力器具备结构简单、可靠性高、成本低的优点，是最适合微纳卫星的动力装置之一。固体微推进技术可分为微电推进和微化学推进两大类。本文介绍了五种典型固体微推力器的工作原理，包括微脉冲等离子体推力器、真空弧推力器、电控固体微推力器、激光微推力器、固体阵列微推力器，系统梳理了它们的发展历程，总结了其最新的研究进展和应用现状。在此基础上，对固体微推进技术的发展方向进行了展望，以期为微纳卫星动力系统的研发与优选提供参考。     

微波等离子推力器微波模式的合理选择

对矩形波导、圆形波导及同轴线的主模进行了分析计算。结果表明：矩形波导是微波的最佳传输方式,相应的主模ＴＥ１０波是合理的传输模式,微波的频率为２．４５ＧＨｚ左右时,微波衰减很小。从推力器获取最高效率以及与谐振腔获得很好耦合的角度出发,圆柱谐振腔可作为推力器的“燃烧室”,ＴＭ０１１是谐振腔较好的谐振备选模式。     

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。     

空间用空心阴极研究进展

空心阴极是离子推力器、霍尔推力器、等离子接触器、空心阴极微推力器的核心组件。介绍了国外针对上述空间应用所进行的空心阴极研究进展,分析了国外空间用空心阴极技术的发展趋势,对我国空间用空心阴极技术发展思路提出建议。     

同轴形微波等离子推力器数值计算

介绍了100W功率同轴形微波等离子推力器(MPT)的系统结构、谐振模式,采用耦合求解Maxwell方程、Saha方程和Navier-Stokes方程的方法,对100W同轴形MPT振腔内的电磁场、等离子体与流场间的耦合问题进行了数值计算并预估了原理实验样机的性能。计算结果表明,100W同轴形MPT结构系统的原理可行,性能较好,有较好的发展前景。      

稳态等离子体推力器羽流仿真及其对微波的衰减和相移作用

为了评估稳态等离子体推力器（SPT）羽流对微波造成的衰减和相位变化,使用二维轴对称的PIC-DSMC方法,在空间及室压6mPa的真空舱两种环境下,计算了SPT-100羽流场中的电子分布。在此基础上,通过分析特征频率和计算衰减因子、相位常数,估算了2,4,8,12.5GHz共4个频率微波穿过羽流场时的衰减量和相移。8GHz和12.5GHz微波未发现明显的衰减,相移为10°～120°。2GHz和4GHz微波在喷口附近衰减量范围为10～50dB。仿真结果表明,C波段和S波段在SPT羽流中容易发生衰减,而X波段以上的高频微波衰减量很小,同时这几个波段微波均发生较大相移。真空舱内6mPa背压下对衰减量的预测仅略高于实际飞行情况,但微波相移会有较大误差。     

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。     

MPT可靠启动与稳定工作影响因素

1引言MPT属于电热型电推进,基本原理是利用微波发生器将来自电源系统的电能转化为电磁能,然后电磁波在谐振腔中产生谐振并与工质(可选用N2,H2,He,Ar,NH3,N2O或水蒸气等)耦合,使工质离解、电离,形成等离子体,最后高温高压等离子体从喷管高速喷出而产生推力。MPT的最大优点是没有     

基于SPT70的微波霍尔推力器谐振腔电磁特征计算分析

微波霍尔推力器是双极霍尔推力器的一种形式,其电离源中的圆柱谐振腔是一个关键件,它承担着微波能量的传输并激发表面波等离子体的重要作用。正确选择其结构和谐振模态是构建微波霍尔推力器的重要基础。为此,针对不同结构、不同谐振模态的微波谐振腔进行结构参数计算分析和电磁场分布规律数值模拟,从中选取可以和霍尔推力器SPT70加速通道相匹配的腔体结构。计算分析和数值模拟结果表明2.45GHz谐振于TM011模的圆柱谐振腔和SPT70加速通道有合适的匹配关系。     

微波等离子推力器谐振腔的低信号调试

微波等离子推力器（MPT）谐振腔只有在谐振状态下，微波能量才能被高效地用于加热工质产生推力。利用标量网络分析仪，采用微波无源器件回波损耗的测试方法对MPT谐振腔进行了精确地调谐，分析微波能量的吸收效率及谐振频率带宽，研究腔体的尺寸，微波耦合探针位置以及腔内的隔板材料等在同一谐振频率条件下的匹配性。调试结果可为腔体设计与提高系统效率提供参考。     

Efficient power supply for the microwave electrothermal thruster(MET)

A resonant switch-mode power supply for the microwave electrothermal thruster (MET) is presented in this paper. The converter is operated with soft-switching at high frequency and exhibits a high efficiency. The soft switching technique used in this converter and the current-source inductor at the input minimize the EMI noise. Electric isolation between input and output is achieved with a center-tap transformer, whose magnetizing inductance is used as the resonant inductance of its resonant tank. The resulting high power density and increased reliability of the converter make it very suitable for aerospace applications. Simulation and experimental results of a 28 V/4.5 kV example are also presented     

电子回旋共振离子推力器放电室低信号调试

微波输入技术是电子回旋共振离子推力器的关键技术之一,输入微波在推力器放电室内产生谐振的时候,微波功率才能高效地被吸收,从而电离气体,提高电子的能量,增加等离子体的电离度。电子回旋共振离子推力器放电室是一个不规则的微波谐振腔,很难从理论上确定其谐振状态下的结构。本文利用网络分析仪,采用微波无源器件回波损耗的测试方法对放电室进行精确调谐,分析微波谐振频率及带宽,目的在于详细研究放电室的结构尺寸、微波耦合探针形状和尺寸在谐振状态下的匹配性。调试结果表明放电室增加14 mm圆柱段,选择圆柱段长度22 mm和球形直径9 mm的组合探针,可以得到较好的谐振状态,此时腔体的回波损耗为-23 dB,谐振频率4.195 GHz,谐振带宽为0.025 0 GHz,品质因素为167.848。