脉冲等离子体推力器研究综述

简要介绍了脉冲等离子体推力器(PPT)的基本工作原理;回顾了国内外脉冲等离子推力器的发展历史;阐述了它的优势与面临的挑战;分析了需要研究的关键技术与发展方向。     

高室压脉冲推力器设计与实验研究

为了检验高室压脉冲推力器的设计并掌握液体N2O／酒精推进剂的点火燃烧规律,进行了实验研究。可移动喷注器的动密封采用O型圈结构,推进剂的流动通道既能保证充填时推进剂的流通,又能保证挤压时不会有回流。冷试结果表明密封效果良好。测定了系统的热试时序,实现了稳态条件下的点火燃烧,燃烧室压力为2．58MPa。由于液体N2O的饱和蒸汽压较高,容易蒸发,积存在燃烧室内的蒸气造成点火压力峰比较高。     

脉冲等离子体推力器羽流预测计算研究

为了能够将脉冲等离子体推力器成功地运用于空间,需对其羽流进行研究。将一维 MHD双温放电模型的计算结果作为入口条件,运用DSMC（Direct Simulation Monte\|Carlo ）／PIC（Particle in Cell）流体混合算法一体化模拟实验室PPT羽流。验证计算显示该模 型具有一体化模拟脉冲等离子体推力器羽流的能力。对不同初始放电能量下的羽流场进行模 拟,给出了离子、中性粒子、电子温度、轴线上质量流率和出口平面返流质量流率的变化情 况。计算结果显示高放电能量下返流量更大,同时中性粒子在返流中所占比例也越大。
     

脉冲等离子体推力器等效电路模型分析

脉冲等离子体推力器(PPT)的放电电流与推力器性能有密切关系。为了分析影响脉冲等离子体推力器放电电流的因素,建立了推力器放电过程中的等效电路模型,分析了等效电路中电感及电阻的分量,并对简化的等效电路模型进行解耦,得到了放电电流的3种状态。通过实验以及方程解耦,得到了实际电路中的等效电感及等效电阻值,研究了等效电感及电阻中影响推力器性能的因素。结果表明,推力器的间距和放电能量改变了等离子体的电感及电阻值,从而改变了放电电流曲线,影响了推力器的电磁加速性能。设计PPT时,应尽量减小电极的寄生电感和电阻,采用内感和内阻较小的放电电容,获得较高的PPT效率。     

受激光控制分解式固体微推力器内流动特性研究

建立了描述激光控制分解式固体微推力器内流动特性的计算模型,对激光微推力器内流动进行了数值计算,计算值与实验结果吻合较好。分析了气体粘性和压强对激光微推力器内流动特性的影响。结果表明,微推力器内流动受低压、小尺寸的综合影响,喷管喉径小于0.8 mm时,气体粘性对推力器性能影响显著增强;提高推力器内压强是减小粘性影响的一种有效手段。     

横向过载下固体火箭发动机内弹道特性研究

导弹在高空中作机动飞行时易出现内弹道异常现象,严重时可能导致飞行任务失败。为了了解横向过载对固体火箭发动机内弹道性能的影响,对飞行过载下发动机内弹道性能进行更好地预示,建立了一种非均匀燃面退移离散坐标求解方法。从简单的内孔燃烧管型装药到常用的复杂星孔药型,利用离散坐标求解方法模拟横向过载下推进剂的燃面退移,得出了不同过载下的燃面退移规律,计算了燃面面积的变化情况;同时,将不同微元处的面积和燃速相对应,预示了横向过载下发动机的内弹道特性。结果表明,横向过载导致推进剂燃烧发生偏心,燃烧室压强提高,绝热层提前暴露。100g横向过载下,燃烧室压强增加4%,压强峰值出现时间0.4 s,绝热层暴露时间增加1.6 s;星孔药型燃面的下降段数等于星角数N/2+1。分析了横向过载对燃面退移及发动机内弹特性的影响,对发动机设计具有指导意义。     

霍尔推力器束流分布特性实验研究

为消除实验设备的影响,获得霍尔推力器羽流的真实特征信息,用在传统法拉第筒前加准直套的方法对推力器羽流进行了实验研究,得到了不同背景压力下离子电流密度的分布。结果表明:改进型法拉第筒能有效屏蔽电荷交换碰撞产生的低能离子,测得的离子电流密度分布更接近实际。     

脉冲等离子体推力器的设计评估仿真

运用磁流体动力学(Magnetohydrodynamic,MHD)的方法,对脉冲等离子体推力器推力室工作过程开展三维双温MHD数值仿真,并对推力室的工作机理进行了分析研究。通过该模型计算得到的推进剂烧蚀质量和原冲量与实验结果相符,同时对不同初始电压、电容、电极长度及推进剂高宽比下的情况进行了评估,为推力器设计提供指导依据。结果显示,高放电能量、长电极长度及大高宽比对推力器的性能都有一定提升,但这种提升是有限的,在进行推力器设计时,这些因素应进行综合考虑。     

氙离子推力器束流分布特性研究

建立了离子推力器束流分布的高斯模型,以200mm氙离子推力器为例,在不同工作环境下对推力器束流分布进行了数值模拟,并通过试验测量了推力器引出切面不同位置(轴向z=50mm,z=100mm)下的径向束电流密度和束离子密度分布。通过对数值模拟结果与试验测量结果的比较,误差为17%,认为数值模拟结果与试验测量结果吻合较好。表明离子推力器引出束流呈轴对称分布,在推力器出口附近,束离子密度很大,越往下游,密度越小且束流出现发散。     

脉冲推力器输出性能的影响因素

为了在脉冲推力器设计中获得合理的设计参数,采用推力测试装置直接测量推力器推力的方法,研究了在不同直径喷喉、不同厚度膜片、不同质量主装药下的推力和总冲。喷喉直径由3 mm增大到4.5 mm,在喉径4 mm时推力和总冲最大,表明喉径太大或太小时推力都不能达到最大值。膜片厚度由0.2 mm增大到0.5 mm,推力由325 N变为429 N,总冲由0.161 N.s变为0.216 N.s,表明增加膜片厚度,输出单调增大。主装药量由180 mg增大到420 mg,推力由144 N变为347 N,总冲由0.068 5 N.s变为0.172 N.s,表明增大药量,推力和总冲都增加。     

二维装药内弹道数值模拟改进方法

研究了长细比大的管形装药固体火箭发动机在燃烧过程中的侵蚀燃烧和滞点漂移现象，视燃烧产物为准定常流动，使用分段解析法，进行内流场的数据模拟，并对滞点漂移进行了计算。     

圆柱形霍尔推力器的内磁极刻蚀研究

由实验后的圆柱形霍尔推力器来看,内磁极刻蚀是影响霍尔推力器寿命以及效率的主要因素之一.主要结合实验结果,从理论卜分析刻蚀以及刻蚀形貌形成的原因.并利用PIC粒子模拟跟踪离子的轨迹来解释内磁极的刻蚀问题.结果表明:推力器的工作状态、电磁场位形是影响内磁极刻蚀及刻蚀形貌的主要囚素.最后针对刻蚀原因提出了相应的减小刻蚀的方法,并比较了各种方法所起的作用.     

脉冲等离子体推力器羽流三维粒子模拟

以脉冲等离子体推力器(PPT)羽流为研究对象,基于单元粒子法和直接模拟蒙特卡罗法,建立三维物理模型,模拟羽流瞬态流动.假定电子等温流动将其动量方程简化并离散,运用交替隐式法求解等离子体电势.通过与实验数据和轴对称仿真结果对比验证仿真模型,分析流场中电势、浓度分布随时问变化情况.研究表明,本文所建模型能在平行和垂直于电极的两个甲面内有效预测等离子体羽流参数,且仿真结果优于二维模拟.PPT羽流中推进剂返流质量份额极小.研究方法、结果对PPT羽流更深入研究具有参考价值.     

脉冲等离子体推力器羽流回流影响分析

将三维MHD双温入口模型的计算结果作为入口条件,运用DSMC(Direct Simulation Monte-Carlo)/PIC(Particle in Cell)流体混合算法,模拟实验室PPT样机羽流。验证计算显示,该模型具有模拟脉冲等离子体推力器羽流的能力。对不同初始电压和电容下的羽流场进行了模拟,给出了出口平面返流质量流率的变化情况和20μs羽流中离子和CEX离子的分布情况。计算结果显示,高能量状态对应高质量流率,高质量流率对应高动量,高动量离子和中性粒子对航天器撞击会造成更强影响。     

脉冲等离子体推力器内部流场的数值分析

应用所建立的广义拉格朗日乘子形式的磁流体力学模型对平行电极型脉冲等离子体推力器的内部流场进行了数值研究.对等离子体流动过程的分析表明,放电初期等离子体在很强的电磁力作用下高速喷出推力器,而到放电后期等离子体受到的气动力比电磁力大得多,等离子体的运动非常缓慢.电磁冲量占推力器元冲量的大部分,增强电磁加速作用可以进一步提高推力器的性能.     

微型脉冲推力器点火启动过程计算与点火药量选择

建立了微型脉冲推力器点火启动模型,模型中考虑了两相流动和颗粒对推进剂表面的冲击传热。根据数值计算结果,给出了不同产物颗粒含量下的点火药量选择参考范围。该参考范围对于产物颗粒含量小于50%的点火药是适用的;由于过多的颗粒含量将对装药表面产生强烈的热力冲蚀破坏作用,产物颗粒含量超过50%的点火药不适合微型火箭发动机。     

固体发动机内弹道计算不确定性研究

建立了固体发动机一维混合内弹道计算模型,提出了提高内弹道预估精度的工程方法.采用系统辨识法建立燃速模型、计算药柱初温分布和预估药柱真实燃面,建立了内弹道性能散布分析方法.算例应用研究表明,燃速模型参数不确定性是影响发动机内弹道计算精度的主要因素,除燃速模型参数外,对总冲变化的显著影响因子依次是燃气比热容比、推力系数因子、特征速度因子和药柱密度,对工作时间变化的显著影响因子依次是特征速度因子、药柱初温和药柱密度.     

用于微小卫星推进装置的脉冲等离子体推力器

论述了脉冲等离子体推力器(PPT)的工作原理和研究状况。在分析其主要优缺点的基础上，讨论了PPT技术的发展方向，并就PPT的应用前景作了展望。分析认为PPT是一种先进的小推力动力装置，特别适合于微小卫星的轨道转移、姿态控制、位置保持以及星座编队飞行。     

脉冲等离子体推力器羽流的一体化粒子模拟

将DSMC(Direct Simulation Monte-Carlo)/PIC(Particle in Cell)流体混合算法与一维MHD双温放电模型相结合,一体化模拟NASA Glenn PPT羽流。对不同出口偏转角的羽流场进行模拟,给出了不同偏转角度下离子、电势、温度的变化情况,并与实验结果进行了比较。结果显示,该模型具有一体化(从工作过程到羽流)预测脉冲等离子体推力器羽流的能力。人工偏转角的加入,增强了羽流的扩散,使得羽流径向扩散、轴向收缩、回流减弱,同时对放电模型带来的不足有一定改善作用。