激光烧蚀微推力器研究进展

激光烧蚀微推力器以其具有的许多显著优势成为最具应用前景的微推力器备选方案之一。其原理是通过星载固体或半导体激光器,烧蚀靶材产生微小推力,其主要特点包括比冲高、冲量动态范围宽、最小冲量比特小、功耗低、能量耦合效率高,以及易于实现轻量化和数字化控制。在回顾相关文献的基础上,从激光烧蚀机理、微推力器结构设计、烧蚀推进性能、烧蚀靶材和靶结构等方面对激光烧蚀微推力器的研究进展和技术水平进行了系统的总结和评述,并指出激光烧蚀微推力器研究所涉及的关键问题包括：激光烧蚀的理论描述、星载激光器、微推力器的性能参数体系、性能参数测量以及微推力器的一体化设计等方面。     

脉冲等离子体推力器放电室构型参数的影响分析研究

通过开展脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster, PPT）放电试验,结合理论计算与分析,研究了放电室构型参数对推力器性能的作用机理与影响规律。结果表明：推进剂烧蚀表面附近电极间距的增大使放电电流的峰值降低;增大电极高宽比使电感梯度提高,并使电磁冲量得到提升。考虑到放电电流集中在推进剂表面附近,电流峰值主要受到放电室上游电极间距的影响,因此,采用在放电室下游增大电极扩张角的方法使电极高宽比增大,通过这种空间上的分离,能够解决增大电流峰值与提高电感梯度之间的矛盾,实现推力器电磁冲量的综合提升。相比于常规PPT所使用的矩形推进剂构型,V形的推进剂构型可有效提升推力器的气动冲量。     

激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程实验研究

为了加深对激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程的认识，本文对有无陶瓷隔离板和不同初始电压下的激光支持的脉冲等离子体推力器进行了实验研究。利用放电伏安特性对比了放电特性参数和性能参数，然后利用结合窄带滤光镜的高速摄影技术揭示了性能差异背后的物理过程变化。结果表明，陶瓷隔离板可以有效避免放电电弧对工质的烧蚀，这可以抑制滞后烧蚀的产生，从而提高推力器的推进性能。对激光烧蚀产生的工质的电离和加速是在多次振荡放电过程中进行，而不像理想电流片模型那样只电离和加速一次。放电通道内工质的电离和加速效果最为显著的时间为放电的第2个半周期。随着初始电压的增加，单位放电能量产生的推进性能先增加后趋于平稳，然后继续增加。单位放电能量产生的推进性能在初始电压高于2050V后得到较大的提高，通过放电等离子体图像推测，这意味着附着等离子体电弧的存在对推力器性能的提高有重要影响。     

低功率变截面通道霍尔推力器电离特性

在不改变霍尔推力器特征尺寸的条件下为了提高其低功率时的性能,采用缩小通道局部通流面积的方法,利用增加电离区原子密度来提高工质利用率。实验结果表明,该方法能有效拓展低功率放电范围,控制工质电离过程,增加工质利用率,并提高霍尔推力器在低功率下的推力、比冲和效率性能。羽流发散角优化是后续变截面研究中需要重点关注的问题。     

结构参数对单组元高室压脉冲推力器的性能影响

高室压脉冲火箭发动机由于使用差动式可移动喷注器,能够得到比供给压强高得多的燃烧室压强.为了分析其工作特性,建立了单组元脉冲火箭发动机挤压喷注、燃烧、排气过程的集总参数模型,以硝酸羟铵(HAN)基作为单组元推进剂,采用四阶龙格-库塔法对模型进行求解.分别从喷注器喷孔面积、喷注器差动面积比、喷管喉部面积、喷注器行程等方面分析并总结了结构参数对单组元高室压脉冲发动机性能的影响规律及影响程度.结果表明:计算模型能反映发动机的实际工作过程,其中,喷注器行程对燃烧室平均压强和平均比冲的影响最大,平均推力则对喷管喉部面积的变化最为敏感,上述两个结构参数是发动机优化设计时的首要考虑因素;其他结构参数对发动机也存在不同程度的影响,可以作为次要因素来考虑.      

透射式激光烧蚀PVC冲量耦合性能实验

激光烧蚀推进是激光推进中最有应用前景的研究分支,吸引了国内外大量学者的关注。为了研究透射式激光烧蚀条件下靶材厚度和激光能量对冲量耦合性能的影响,以二极管激光器作为能量源,玻璃作为透射层,对不同厚度、不同入射激光能量条件下,掺碳质量分数为2%的PVC薄膜进行了透射式激光烧蚀实验研究。冲量耦合系数最高为65.78μN/W,与国内外相关报道的数据相比较,结果规律一致性较好。研究结果证明了双层结构靶材的透射式激光烧蚀可以提高冲量耦合系数,入射激光能量与靶材厚度对冲量耦合性能影响较大。     

脉冲等离子体推力器的性能分析

脉冲等离子体推力器(PPT)的性能受多方面因素的影响,包括放电参数以及推力器本体结构等。通过对脉冲等离子体推力器的工作原理和物理学模型的分析,研究了PPT的效率、比冲、推力、元冲量、推功比等性能参数与电极结构、电气参数的关系,并设计了实验,对效率、比冲、元冲量等与放电能量、电极间距的关系进行了验证。结果表明,效率、比冲、元冲量均随放电能量的提高而增大,元冲量在电极间距为50 mm时大于间距为30 mm、40 mm时的值。根据实验结果,提出了设计高性能PPT的一些优化条件,对PPT的设计有参考意义。     

基于应变片的双脉冲推力测量初步实现

为了获得激光推力器在多脉冲激光作用下产生推力的变化情况,建立了一套基于半导体应变片技术的双脉冲推力测试系统,介绍了系统标定及测试原理。在单脉冲能量80 J,重复频率10 Hz的条件下进行了实验,实验结果表明:该测试系统响应速度快、精度高,实验结果可信;同时发现,在双脉冲激光作用下,推力器产生的脉冲推力大小和推力的持续时间均会减小,冲量耦合系数也有所降低,与文献报道实验测量结果基本一致,对激光发动机的理论和数值研究具有一定的参考价值。     

Investigation into the transient flow characteristics of noble gas propellants using the pulsed inductive discharge in electric propulsion

The Pulsed Inductive Thruster (PIT) has the advantages of repeatable startup, no corruption and in-situ propellant feed. To study the flow expansion and circuit characteristics of PITs, the circuit-fluid model is developed, and the high temperature thermodynamic and transport models are combined with the circuit-fluid model to predict the critical plasma parameters. The flow fields of initial mass of 2–8 mg and charge voltages of 10–14 kV are simulated. Comparison of the flow fields of argon and helium propellants suggests that, the flow field structures are similar. Slight differences exist on the magnitude of the density and magnetic field, caused by larger velocity in lighter atom case and difference on the ionization gap between adjacent ionization levels. Analysis of the circuit characteristics by the two-dimensional results indicates that the ratio of coil inductance to circuit inductance affects both the rise rate and phase of the plasma current, the larger the ratio, the greater the rise rate and the better the following characteristic. The calculations show that the magnetic energy obtained within the decoupling distance determines the overall performance the thruster can be obtained; self-induced field maintained by the thermal motion after the main pulse leads to the long attenuation process and difference on the total impulse when the angle of conical pylon is varied under constant coil dimension.     

单组元脉冲推力器挤压和排气过程分析

高室压脉冲推力器使用可移动的喷注器,能够得到比供给压强高得多的燃烧室压强。为了分析其工作特性,建立了单组元脉冲推力器挤压和排气过程的数学模型,以硝酸羟铵(HAN)基单组元推进剂为例,采用四阶龙格-库塔法进行了求解。结果表明,燃烧室最大压强和平均压强都大于推进剂入口压强,而燃烧室内近似等容的燃烧过程是压强升高的原因。与所用推进剂、平均推力和面积比都相同的常规推力器相比较表明,脉冲推力器的真空比冲提高5 s,而喷管喉部面积减小89%,若两者喷管出口面积相同,则脉冲推力器的比冲将提高31.5%。     

不同辅助启动材料对激光推进器冲量的影响

为了获得不同辅助材料对激光推进器工作性能的影响,利用高速运动分析仪测量冲击摆的最大摆角,根据摆角确定激光推进器的冲量,测量了不同辅助启动材料下激光推进器冲量。在压强为0.1 MPa时,POM辅助下激光推进器冲量为4.6 mN.s,是未辅助时的2.496倍。试验结果表明:大部分辅助启动能够明显地增强等离子体的能量吸收率,高分子材料POM的辅助启动效果最佳;随着环境压强的下降,辅助启动的作用更加重要。     

脉冲等离子体推力器推进剂烧蚀传热计算

运用磁流体动力学的方法,建立脉冲等离子体推力器工作过程模型,展开三维仿真研究,对推进剂的烧蚀传热过程进行分析。通过该模型计算得到的推进剂烧蚀质量和元冲量能够反映出实验结果的大体趋势,同时针对不同电容以及两种不同推力室构型的情况进行了评估。结果显示,推进剂的温度变化波形反映着放电波形的变化波形,影响着推力室等离子体的流动,良好的推进剂表面温度分布更有助于推进剂的喷射过程。     

激光参数对光船性能影响分析

采用三温度11组元热化学非平衡空气模型计算了激光能量在等离子体中的沉积过程,并在激光脉冲作用结束8 μs后采用平衡空气模型,完成激光推进光船工作过程的数值模拟,研究了不同入射激光能量和脉冲宽度对光船推进性能的影响。结果表明:当脉冲宽度相同时,入射激光能量越大,所得冲量耦合系数越大;当入射激光脉冲能量相同时,脉冲宽度越小,所得冲量耦合系数越大。将计算所得冲量耦合系数与Schall实验所得结果进行比较,结果非常吻合。     

Plasma transport simulation under different conditions and optimization analysis of dual-stage grid ion thruster

In order to study the extraction and acceleration mechanism of the dual-stage grid, a three-dimensional model based on the Particle-In-Cell/Monte Carlo Collision(PIC/MCC) method is performed. Dual-stage grid ion thruster is a new type of electrostatic ion thruster, which can break through the limitations of traditional gridded ion thrusters, and greatly improve the specific impulse. The high performance also makes the grid sensitive to operating parameters. In this paper,the influence of grid pa...     

吸气式激光推力器概念设计

以发射10kg级微小卫星为航天任务背景,基于地面推力1000N的设计指标,分析了吸气式激光推进的主要性能参数,依据所建立的激光推进能量相似律理论和数值计算研究结果,对激光参数、聚焦系统和喷管子系统进行设计,完成了封闭的吸气式激光推力器概念设计循环。所提出的二次反射聚焦系统与抛物形喷管组合的吸气式激光推力器概念模型经数值计算程序验证,可以获得地面500N/MW的冲量耦合系数。所提出的设计理论和方法对激光推力器概念设计有一定的参考价值,是研制激光推力器模型的重要基础。     

分块阳极式激光支持的脉冲等离子体推力器实验研究

通过纳秒激光烧蚀羽流特性的研究证实了羽流分裂现象的存在,为了抑制羽流分裂现象可能带来的滞后烧蚀而将分块阳极构型引入激光支持的脉冲等离子体推力器中,由此首次提出了分块阳极式激光支持的脉冲等离子体推力器的概念.通过实验对比研究了分块阳极和正常阳极构型的放电特性参数、性能参数和放电电弧发展演化等特性.结果表明,分块阳极构型能...     

透射式水工质的高耦合效率激光推进模式

为了提高激光推进的耦合效率,防止光学器件污染,提出了透射式液体工质的激光推进模式。在这种推进模式中,Nd:YAG固体激光器中产生的450 mJ,7 ns激光穿过透明的玻璃基底后,与燃烧室中的液体推进剂相互作用,产生的等离子体在玻璃基底、燃烧室和液体推进剂的约束下膨胀,产生很高效率的动量转换,使靶获得初速度。纯水和黑墨水分别被用作推进剂,通过比较实验结果发现,在这种模式中墨水比水更适合做推进剂。通过改变燃烧室的长度和孔径,得到的耦合系数的最大值为17 858.3 N/MW。     

激光推进辐射击穿温度特性的数值研究

在9种等离子体击穿温度下,数值模拟了二次反射式聚焦系统聚焦情况下激光推力器内流场的演化过程,得到了不同击穿温度对应的能量沉积率、推力峰值、冲量和冲量耦合系数,能量沉积率和推进性能参数在某个等离子体击穿温度值处发生突变。根据空气对激光的逆韧致吸收系数公式,计算了CO2激光辐照下不同等离子体击穿温度对应的空气辐射自由程,发现当等离子体击穿温度为14000K时,辐射自由程为1.4mm,与计算网格的典型尺寸相当,此时入射激光能量在一个网格内以一定效率被吸收,由此确定了基于逆韧致吸收的激光等离子体的击穿温度。     

Performance measurement and evaluation of an ionic liquid electrospray thruster

As a novel micro-propulsion system for small satellites(from micro to nano),the ionic liquid electro spray propulsion system is a promising candidate.However,performance measurement and evaluation of the Ionic Liquid Electrospray Thruster(ILET) is one of the most challenging issues for practical application,due to the difficulties in the development of a prototype and direct measurements of micro-thrust and small flow rate.To address this issue,a Modular Ionic Liquid Electrospray Thruster(MILET)...     

脉冲等离子体推力器烧蚀建模与仿真

为了深入地揭示平板型脉冲等离子体推力器（PPT）工作机理,通过对PPT在放电过程中的欧姆加热能量分配分析,建立了基于能量守恒原理的改进烧蚀模型,并对磁流体动力学方程中的能量方程进行了修正。结合LES-6对PPT工作过程进行了一维磁流体动力学数值仿真,获得了PPT的速度分布、放电烧蚀质量和元冲量等参数的变化过程。仿真结果表明,改进模型能正确地反映脉冲等离子体推力器工作过程,仿真得到的出口速度、元冲量与实验值吻合较好,而放电烧蚀质量则相对误差较大;当电容容量变化时,元冲量随放电能量增大呈近似的线性增长关系,放电烧蚀质量随放电能量的增大单调增加且呈非线性关系。