低功率氮氢混合物电弧加热发动机模拟研究

对低功率电弧加热发动机内的传热与流动过程进行了数值模拟研究,分别采用氮氢混合物模拟氨和肼作推进剂,计算获得了不同入口总压和弧电流的多种工况条件下发动机内温度和速度分布.结果表明,随着弧电流的增加,发动机出口处的温度、速度和比冲也随之增加;随着入口总压的增加,工作气体流量增加,发动机喷管出口处轴向速度增加.对NASA 1 k W级电弧加热发动机采用氮氢模拟肼作推进剂进行了数值模拟,模拟结果与文献报道的实验结果大体相符.     

自增压式丁烷微推进系统建模与工作特性仿真研究

利用AMESim+AMESet建立了丁烷微推进系统一维仿真模型，该模型包含：考虑丁烷相变的自增压贮箱、稳压气容、PID控制的电加热推力器等组件.研究自增压贮箱、电磁阀、气容和推力器的静态工作特性，分析气容体积和推力器加热功率以及推力器扩张比对系统工作特性的影响，对丁烷推进系统的动态响应特性进行探讨.结果显示，自增压贮箱内流体在温控系统的控制下能够实现稳定的压力，在变目标推力时系统的响应较快，增加气容体积有利于提高系统工作稳定性.当前推进系统在稳定工作时的推力器最大质量流量为0.079 g/s，最大推力为102 mN.贮箱自增压过程中PID温控对贮箱内工质压力具有重要影响.无温控时，推进剂的持续流入和蒸发造成贮箱液体丁烷排空时的气容压力下降了19.5%；施加PID温度控制后，气容内工质压力稳定在0.302 MPa，工质温度会快速稳定在293.15 K附近.较大的气容体积能够让推力输出更稳定.通过电加热推力器腔体内的丁烷气体可以有效提高推力.推力器加热功率从0 W增加到30 W时，推力从92 mN增加到114 mN，比冲效率从76.2%增加到94.3%.     

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。     

固液火箭冲压发动机工作性能分析

固液火箭冲压发动机兼具固体火箭冲压发动机和液体燃料冲压发动机的优点,为了研究其性能,建立了理论分析模型,计算了设计点性能以及非设计点工作特性.结果表明,固液火箭冲压发动机的比冲高于固体火箭冲压发动机,当液固比为1时,比冲提高1.82倍,液固比越大,比冲越高;随余气系数的增加设计点比冲先增加而后减小;非设计点比冲随飞行马赫数的增加先增加而后减小,对应不同的飞行高度,有一个临界点使比冲最大,高度越低临界点马赫数越小;推力系数随飞行高度的增加而增加,低马赫数下的比冲随飞行高度的增加而减小,高马赫数下的比冲随高度的增加先增加而后减小.按等余气系数调节燃油流量会使发动机性能变化较大,要获得稳定的飞行性能应研究其他的加热规律.     

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。     

场发射电推力器的参数选择与调控方法

场发射电推力器具有几种不同的发射模式，分别产生荷质比不同的带电液滴或带电离子，使得不同模式下推力性能差别显著。针对不同的空间应用，需要设计不同种类的场发射电推力器，使其达到相应的推力参数。为此对场发射电推力器的发射过程展开分析，确定了推力参数的调控方法。首先对场发射电推力器的基本工作原理进行了阐述，并对不同发射模式的基础物理机制进行了分析。在此基础上通过理论计算得出采用不同推进剂可达到不同发射模式这一结论，并最终得出推力器性能参数的调控方法，论证了推力性能受到推进剂种类和发射模式的影响，在离子发射模式下处于高比冲、低推力工况，而液滴发射模式下处于低比冲、高推力工况。此外推力参数还受到供给流量、外加电压等多种因素的影响。在得到推力器参数的调控方法后，设计了一种主动供给型离子液体电推力器，以离子液体EMI BF4作为推进剂，进行了相应的试验研究。通过改变外加电压，实现了对推力器推力性能的调控，证实了此调控方法的可行性。推力器达到的推力范围为1.6~10μN，比冲范围为154~978s。     

“田园一号”微推进系统设计与性能测试

针对“田园一号”微纳星编队飞行任务的技术需求，开展了微推进系统的总体设计。常规冷气推进由于其比冲低、贮存压力高、结构复杂，难以满足微纳卫星需求。选择R134a作为推进工质，通过将推进剂液化，减小系统体积。基于3D打印技术，设计贮箱、稳压罐、管路一体的推进系统。采用MEMS加工工艺，设计并研制出电加热喷口，从而提高系统比冲。分析了不同喷口尺寸、供气压力以及温度下所产生的推力和比冲大小，确定出喷口设计。表征测试所研制的电加热喷口，结果表明喷口加工误差控制在2%以内。真空条件下，采用扭摆测量系统测试推力器推进性能，测试结果表明，当稳压罐内气体压力在0.1～0.2 MPa变化时，推力大小为5～10 mN。当喷气温度从25℃升至95℃时，推进系统比冲可提升10%以上。     

微型镓场发射电推力器的推力和比冲测量

电推进技术的发展推动了微推力测量技术和比冲测量技术的研究进程。为了评估已研制出的微型镓场发射电推力器的性能,进行了推力和比冲测量。研制了一种用于场发射电推力器的微推力测量平台;进行了LabVIEW开发;对测量平台进行了标定与分析,并通过试验比较了推力实测值与理论值,实测值范围为3~28μN。另外,利用飞行时间法,测得推力器在不同发射电流下的比冲数据,比冲范围为5917~8875s。     

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。     

集气腔总压对电弧喷射推力器工作过程的影响

为了研究集气腔总压对电弧喷射推力器工作过程的影响,在分析其工作机理的基础上采用化学非平衡流动和稳态电磁流体电磁场模型对不同集气腔总压下推力器工作过程进行了数值模拟.流体力学方程组和电磁场方程考虑了多种流动机理及电磁场与高温电离气体的相互作用,化学动力学模型考虑了各种碰撞反应.采用二阶精度NND格式求解流体力学方程组,采用有限速率化学反应模型计算组分生成率,采用交替方向隐式(ADI)超松弛迭代法求解电磁场离散方程.给出了不同集气腔总压下推力器内部参数分布及其宏观性能.研究表明,集气腔总压对推力器工作过程具有多方面的影响,在保证电弧稳定的情况下,适当提高集气腔总压可同时提高比冲和推进效率.     

Integrated design of solar thermal propulsion system for microsatellite with liquid ammonia as propellant

This paper presents a design of solar thermal propulsion (STP) system for microsatellite with liquid ammonia as propellant. The system was equipped with two concentrators, which were respectively placed in the tank and thrust chamber for propellant supply and heating. A platelet heat exchanger was adopted to heat the propellant in the chamber, and the fluid–solid coupling effect between the wall and the gas was considered. Meanwhile, the effects of satellite mass, initial orbit, nozzle size and target temperature on the performance of STP system were analyzed. The results show that for microsatellites with a total mass of 100 kg, the STP system can fully heat the propellant to more than 2050 K, generate an intermittent thrust of about 26 N, and enable the satellite to obtain a velocity increment of more than 1470 m/s within 19 days, consuming only 42 kg of propellant, which can directly meet the transfer mission from the geostationary transfer orbit (GTO) to the geostationary orbit (GEO). The maximum velocity increment could reach more than 1950 m/s when the propellant was completely consumed; Changing the mass and initial orbit of the satellite will not affect the thrust and specific impulse. Satellites with smaller mass will spend less time and propellant during orbit transfer. The lower is the perigee height of the initial orbit, the greater is the propellant consumption, while the shorter is the time of orbit transfer; The reduction of nozzle throat size and target temperature will lead to the increase of specific impulse and the decrease of orbital transfer time, but the reduction of thrust.     

塞锥截短对塞式喷管性能影响的实验

为了研究塞锥截短对塞式喷管性能的影响,对截短率为80%、40%、30%和20%的塞式喷管进行了冷流实验.介绍了实验系统的组成和推力测量方式,得到了不同塞锥截短率的推力系数效率的高度特性曲线.实验结果表明:截短率越小,效率越低,不同截短率的效率差别随着压强比的增加而减小;随着截短率增大,截短率对效率的影响程度逐渐降低.截短率太小,性能损失较大;截短率太大,塞锥的尺寸增大,而性能提高却不明显.通常的取值范围是30%~40%.      

液体火箭发动机后效冲量的测量方法

本文叙述在地面条件下试验液体火箭发动机时,通过测量发动机后效段推力与测量发动机燃烧室压力两种方法来求得模拟高空后效冲量,并对这两种方法作简单评论。     

超声电喷推进机理研究

超声电喷推进是一种新型的电推进技术,主要用于解决胶体推力器等电推力器发射点集成困难、发射点数密度低的问题。通过将超声振动产生的大量微细驻波作为发射源,超声电喷推进将从根本上提高发射点的数目和密度,形成较大的推力密度。文章对超声电喷推进的发射机理进行了研究,得到相应的理论发射模型。通过对发射表面上微细驻波的形成过程、带电液滴的分离过程进行理论分析,建立了静电场条件下微细驻波波峰临界状态的平衡方程,推导出微细驻波波峰局部半径以及发射液滴尺寸的理论解,并提出了发射电流、比冲和推力的估算方程。在此基础上,分析了极间电场强度、超声振动频率、超声振动功率、推进剂性能黏度、推进剂表面张力系数和电导率对超声电喷推进性能的影响规律,并进行了试验验证。     

小功率电弧等离子体发动机试验及性能研究

电推进技术已应用于航天的多个领域,电弧等离子体发动机（Arcjet)因其高比冲、高推力／功率比以及大的推进剂选择范围等特点成为当前国际上电火箭研究和应用的热点。文章总结小功率Arcjet实验及性能研究,介绍了实验研究系统的主要组成,给出初步的发动机工作性能参数及实验结果分析。     

阴阳极进气量对附加场磁等离子体推力器性能的影响

针对附加场磁等离子体推力器阴阳极供气量对推力器性能的影响进行了研究。采用试验方法测量了稳态AF MPDT的束流参数以及放电电压、放电电流、附加磁感应强度等工况参数,测量计算了推力、效率等性能参数。通过改变阴阳极供气比例,分析研究了初始气体分布对推力器性能及物理机制的影响。研究结果显示,阴极供气比重增大时,推力器推力及效率相应增大,但增大到一定比例,推力器出现工作不稳定导致性能下降,说明阴阳极存在最佳的供气比例,表明供气比例对推力器性能具有重要影响。     

磁等离子体推力器工作机理与应用前景研究

研究了发动机能量输入、工质电离、等离子体加速及能量转换过程及机理,同时分析了磁等离子体推力器在空间推进任务中的应用前景.研究表明磁等离子体推力器主要利用电磁力加速和磁喷管的能量转换作用来实现加速,这种方式在大功率条件下,能够获得大推力、高功率和较长工作时间,在大功率轨道航天器和深空任务中有广阔的应用前景.