多模式离子推力器流率特性实验研究

为了实现多模式离子推力器在宽功率范围内最优性能和可靠性,基于30cm多模式离子推力器通过实验开展了阴极和中和器羽状模式转变点流率、放电电压30V对应阴极流率和放电损耗曲线与束电流关系研究。30cm多模式离子推力器束电流从0.3A增加到3.3A时,阴极羽状模式转变点流率值从0.017mg/s增加到0.163mg/s,放电电压30V对应阴极流率从0.129mg/s增加到0.231mg/s,中和器羽状模式转变点流率从0.030mg/s增加到0.191mg/s。随放电室工质利用率的增加,在小束电流下放电损耗迅速增加;当束电流大于1.5A时,放电损耗对放电室工质利用率的变化较为迟钝。基于上述流率特性实验结果完成了30cm多模式离子推力器宽功率范围35个工作点下最佳流率设计。在设计的工作流率下,放电电压小于30V,阴极和中和器均工作在点状模式,实测推力为9.6mN~185.2mN、比冲为1332s~3568s、功率为258W~4761W。     

不同电极材料下ADN基液体推进剂电点火特性的实验研究

目前二硝酰胺铵(ADN)基液体推进剂在工程应用中均采用催化点火燃烧方式,而电点火可以避开催化剂高温失活、冷启动等问题。为了研究ADN基液体推进剂的电点火特性,在密封装置中开展了不同电极材料下推进剂液滴电点火实验,并研究了180V～230V电压范围内液滴着火延迟时间、着火持续时间以及燃烧过程的变化规律。结果表明:ADN基液体推进剂能够通过电阻加热点火方式点燃。采用钨丝电极时,着火延迟时间、着火持续时间和反应总时间均随着电压增加逐渐减小,在230V电压时相对于180V时分别减小了25%,56%和38%。采用钼丝电极时,着火延迟时间在180V～200V范围随着电压增加逐渐降低,在200V～230V电压范围内基本不变;着火持续时间总体上随着电压的增加而呈现略微增加的趋势,但增加幅度较小;反应总时间在180V～230V电压范围内基本稳定在1.5s左右。     

射频离子推力器多元工质束流调节试验研究

为了获得射频离子推力器离子束流随放电参数的变化规律,采用试验研究的方法,就推力器引出束流与射频功率强度、工质种类、工质流量之间的调节规律开展了研究,搭建了射频离子推力器束流调节试验系统。研究结果表明:屏栅电压1200V,加速电压-250V,射频功率200W～700W,工质流量0.2mg/s～4.76mg/s,Xe,Ar,O_2,N_2四种工质下能够可靠放电并稳定引出,实现束流从54mA～467mA的调节,电离效率XeArO_2N_2,离子束流随射频功率和工质流量线性增加,在1.01mg/s的氙工质下,推力、比冲随射频功率从100W～400W线性增加实现推力7.35mN～27.5mN,比冲1191s～3696s大范围连续可调,工质利用率为21.1%～78.8%,并在射频功率为276W时工质利用率和功耗之间存在明显拐点,在应用中要根据任务选择最佳工作区间,合理控制工作参数可以提高推力器工作性能和效率。     

基于激波管的等离子体辅助甲烷点火

在激波管实验系统的基础上,设计了等离子体放电单元,开展了等离子体对甲烷点火延迟时间影响的研究。测量了等离子体放电时的伏安特性曲线。测量了甲烷自点火延迟时间、持续放电条件下的点火延迟时间以及放电后断电下的点火延迟时间。对甲烷点火过程中的化学反应路径进行了分析。结果表明:等离子体放电电压与电流并不呈现相同的变化趋势,放电过程中气体电阻不断发生变化。很少的放电能量(小于4J)即可有效减少甲烷的点火延迟时间,在关闭电源后,放电产生的粒子依然可以在一定程度降低甲烷点火延迟时间。在低温或高温点火条件下等离子体对甲烷点火延迟时间的影响机理基本相同。点火温度较低(小于1000K),或者较高(大于1600K)时,持续放电对甲烷点火延迟的缩短效果更加明显,可以将甲烷的点火延迟时间缩短1个数量级或1个数量级以上。等离子体对甲烷点火延迟的作用效果是点火温度与等离子体质量摩尔浓度耦合影响的结果。      

甲烷-空气混合气体放电等离子体增强点火机理分析

为研究放电过程产生的等离子体对缩短甲烷点火延迟时间的效果,针对脉冲式放电,本文耦合了密度方程、能量传递方程以及Boltzmann方程,对于甲烷-空气混合气体放电粒子浓度变化规律进行了研究分析。将计算得到的放电过程中激发态分子及活性自由基作为初始组份代入CHEMKIN中进行计算,计算了放电条件下等离子体对于甲烷点火延迟时间的影响。相比于附着过程,甲烷粒子弹性碰撞、激励、电离过程的碰撞截面要大2~5个数量级。随着粒子能量的增加,各个过程碰撞截面的变化并不单调,均存在碰撞截面最大的点。混合气体的激发过程导致了80%以上的能量损失。当约化场强逐渐增大时,甲烷的电离效应逐渐增强。混合气体的附着与弹性碰撞效应造成的能量损失比较小,相比激发与电离效应可以忽略。放电过程能够产生大量不同种类的活性粒子与自由基,不同活性粒子随时间变化的规律不相同。其中,随着放电,振动激发态氮分子浓度保持为1015/cm3量级。电子激发态氮分子粒子数密度随着放电的进行,在10-8s~10-7s会产生一个峰值。模型计算的单脉冲放电产生的活性粒子,在大多数点火温度下,可将点火延迟时间缩短10%以上。脉冲式放电对于甲烷-空气混合气体点火有显著的增强效果。     

空气等离子体射流点火器特性实验研究

为了研究等离子体射流点火提升燃烧室内可燃混合气点火性能的机理,利用建立的实验测量系统,实验研究空气等离子体射流点火器的放电特性和射流特性,并与电火花点火器对比研究在航空煤油/空气混合气中的点火过程。实验结果表明,该空气等离子体射流点火器的击穿电压为9.2k V;相同电压下,电弧电流随工作介质流量的增大而减小,随点火驱动电源输出电流的增大而增大;点火器的伏安特性为下降型;等离子体点火射流长度随点火驱动电源输出电流的增大而增长,随工作介质流量的增大,先增长后缩短;来流速度对等离子体点火射流产生较大影响;等离子体射流点火延迟时间小于电火花点火。     

脉冲等离子体推力器电源处理单元技术研究

为了进一步提高脉冲等离子体推力器点火的可靠性和使用寿命,采用理论计算和地面试验的方法,设计了一款可应用于立方体纳卫星脉冲等离子体推力器放电能量为2.6J的电源处理单元,其放电点火电路是基于LC振荡电路,且对放电点火电路的性能、开关管的电流应力和整个电源处理单元的稳定可靠性进行了研究。结果表明：LC振荡放电点火电路中,开关器件的电流应力较小,提高了整个电路的可靠性;该放电点火电路在输入电压800V时,点火电流的峰值可达到100A～150A,这种大电流放电有助于清除火花塞表面的积碳。     

脉冲等离子体推力器电源处理单元技术研究

为了进一步提高脉冲等离子体推力器点火的可靠性和使用寿命,采用理论计算和地面试验的方法,设计了一款可应用于立方体纳卫星脉冲等离子体推力器放电能量为2.6J的电源处理单元,其放电点火电路是基于LC振荡电路,且对放电点火电路的性能、开关管的电流应力和整个电源处理单元的稳定可靠性进行了研究。结果表明:LC振荡放电点火电路中,开关器件的电流应力较小,提高了整个电路的可靠性;该放电点火电路在输入电压800V时,点火电流的峰值可达到100A～150A,这种大电流放电有助于清除火花塞表面的积碳。     

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。     

基于有限元分析的激波管电晕放电单元设计及特性分析

为在激波管中研究等离子体对碳氢燃料点火延迟时间的影响,基于有限元分析方法,模拟了在激波管末端面使用同轴放电的方式对激波管壁进行放电,计算了放电过程中的电参数,相比圆柱形电极,带尖端的放电电极更容易在局部产生更高的电场强度。内径10cm的圆筒中,对于直径1cm的电极,附加100k V的电压周围最大电场强度为176k V/cm。对于顶端带尖端的电极,尖端处的最大电场强度达到了435k V/cm。而对于侧面带尖端的电极,尖端处的最大电场强度约为250k V/cm。依据仿真的结果,设计了激波管放电单元,并进行基于激波管的电晕放电实验。研究了不同内径金属圆筒中电晕放电与电弧放电的电压范围。当圆筒内径为40mm时,适合电晕放电的功率范围为3~16.7W。圆筒内径为100mm时,适合电晕放电的功率范围为1.6~50.5W。     

脉冲等离子体推力器火花塞的性能实验

点火回路引燃脉冲等离子体推力器的主电容放电,是推力器的关键部分之一,其性能直接影响到推力器运行的成败。实验设计了脉冲等离子体推力器的点火电路和同轴型、钩型、平行电极型三种结构的火花塞。在此基础上,获得了三种火花塞的充电电压、放电电流及点火情况。结果显示,平行电极型的点火效果最佳。最后分析了三种火花塞的点火机理,获得了较好放电性能的火花塞结构形式,为脉冲等离子体推力器的稳定运行提供了重要的依据。     

新型空间站氢/氧变轨发动机研究

基于气动谐振点火技术的氢／氧变轨发动机是一项新型的液体火箭推进技术,尤其适用于空间站应用。通过氢氧推力室理论热力计算以及同轴氢氧谐振点火试验研究,采用了同轴氢氧谐振点火器加氧气补燃喷嘴的发动机头部结构方案。在同轴氢氧谐振点火器进行性能试验研究基础上,依次成功进行了发动机头部的谐振点火及氧气补燃试验。最后,成功完成了包括单脉冲、连续双脉冲及3．0S持续工作几种形式下的发动机地面试车试验,验证了发动机工作的可靠性及可行性。发送机起动时间达到0．2S以内。     

A brief review of alternative propellants and requirements for pulsed plasma thrusters in micropropulsion applications

Technological miniaturization has enabled the development of small satellites weighing as little as 1 kg. Unfortunately, there is still a lack of suitable efficient micropropulsion systems at these scales. The pulsed plasma thruster is a structurally simple form of electric propulsion. This simplicity also makes it ideally suited for miniaturization. Its history can be traced back to applications in satellites that are much larger than micro/nano-satellites. The vast majority of modern pulsed plasma thrusters use solid polytetrafluoroethylene (PTFE) as a propellant. Unfortunately, at lower discharge energy levels such as those necessitated by the power limitations of micro/nano-satellites, PTFE has a tendency to exhibit carbon deposition, which can ultimately lead to thruster failure. In this new era of small satellites, it is important to consider alternative propellants in the miniaturization of pulsed plasma thrusters. This brief review discusses the needs and limitations of small satellites and alternative propellants that may be able to meet these needs. Such propellants may be able to offer advantages such as a longer thruster lifetime, a higher specific impulse, or a higher thrust-to-power ratio. This would enable the development of different types of pulsed plasma thrusters that can be tailored towards specific mission requirements.     

脉冲等离子体推力器宏观特性数值研究

为了揭示脉冲等离子体推力器（Pulsed plasma thruster,PPT）的宏观工作特性,以传统＂弹丸＂模型为基础,提出了一种基于电磁和气动耦合加速机理的计算模型以及延时气化效应的评估方法,并与LES-6,LES-8/9 PPT进行模型验证和实验对比。结果表明,计算所获得的PPT脉冲烧蚀质量等宏观特性与实验数据吻合较好;脉冲烧蚀质量中仅有较少一部分（LES-6约10%,LES-8/9约28%）被离子化和电磁加速排出（约31.6km/s）,其余绝大部分则是在主放电结束后以中性气体混和物低速排出（约460～680m/s）;电磁加速对PPT元冲量的贡献是主要的（LES-6约77%,LES-8/9约86%）;增强电磁加速,尤其是减少延时气化效应对PPT效率的提高是十分必要的。     

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。     

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。     

通信卫星推力器可靠性评估方法

针对通信卫星推力器服役寿命长、试验费用高、寿命试验所得数据通常较少等具体特点,提出一种推力器极少失效数据可靠性评估和寿命预测方法,并建立不同试验工况下试验信息的相互折算原则,有效解决了通信卫星推力器的高精度可靠性评估难题.对某型推力器脉冲试验和稳态试验数据进行了处理,分别给出其同步轨道运行可靠性和转移轨道运行可靠性评估结果.      

PPT小卫星轨道转移任务分析

针对CAST968小卫星平台,结合HY-1卫星,分析了该卫星轨道转移任务的应用需求;对比HY-1卫星采用的单组元肼推力器,指出了脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster,PPT）的应用特点;根据该卫星平台的外形和结构参数,对星上轨道转移PPT的数量和工作方式进行了初步设计;基于PPT的研究现状和推进能力,对PPT的轨道转移方案进行了论证分析,计算了相关的轨道转移参数。研究表明,PPT可以适用于微小卫星小能量轨道转移任务,与传统的化学轨道转移推进系统相比,优势较明显。     

离子推力器加速栅寿命概率性分析

交换电荷离子对加速栅极的溅射腐蚀是离子推力器的关键失效模式之一,基于交换电荷离子对加速栅溅射腐蚀的物理机理,对离子推力器加速栅工作寿命进行了概率性建模。利用该模型对20cm Xe离子推力器加速栅寿命和其达到预期寿命的可靠度进行了评估。结果显示加速栅的寿命近似服从高斯分布,当推力器工作环境压力近似6.7×10-3Pa时,加速栅工作寿命达到3kh的可靠度为0.9352。     

脉冲等离子体推力器放电波形设计评估仿真研究

运用磁流体动力学的方法,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,并开展对推力室的工作机理的分析研究。通过该模型计算得到的推进剂烧蚀质量和元冲量与实验结果相符,同时针对不同初始电压、电容以及两种特征波形的情况进行评估,为推力器的放电波形设计提供指导依据。结果显示在推力器波形设计的初期,是采用电流高变化率低能量水平,还是采用电流低变化率高能量水平,需要结合实际,进行优化评估。