磁等离子体动力推力器加速机理研究与仿真

磁等离子体动力推力器具有高比冲、大推力的特点,是一种非常有前途的空间电推进形式。为进一步提高推力器的性能,需要进行强磁场下的推力器加速机理研究。与传统小功率电推力器相比,磁等离子体动力推力器功率大,推进剂流量大,导致实验研究难度大,成本高,存在一定的危险性。利用等离子体电导率模型和磁流体方程组,对强磁环境下推力器进行建模,在0.2、0.53、0.66、1.54 T不同磁场强度下进行了仿真。结果表明,推力器比冲和电压随着磁场强度的提高而增加,比冲变化范围3400～4650 s,电压变化范围120～236 V,推力器效率先增加、后减小,从60.8%增加到72.6%,最后减小到57.9%。研究结果表明,磁流体模型和电导率模型能够反映出磁场对等离子体的加速作用,磁场强度会影响比冲和效率。该模型可为以后推力器的设计和优化提供参考。     

1 mN射频离子推力器参数与性能分析

射频离子推力器是空间电推进的一种,其推力性能是系统设计的核心问题。为获得推力特性随设计参数的变化规律,采用数值计算方法进行了研究,开展了1 mN射频离子推力器设计计算,对不同放电室尺寸、流量、射频功率、屏栅电压下的推力性能进行了分析并进行了工况优化。结果表明,模型能够正确地描述射频离子推力器性能变化规律,放电室内径25 mm的推力器即可以实现1 mN推力指标,在最优工况下,推力器推力1.176 mN,比冲2 503 s,效率53.13%,满足设计要求。根据该模型研制的推力器样机成功点火,验证了数值模型的有效性,可以利用该模型为射频离子推力器研制工作提供指导。     

50 kW级高功率霍尔推力器放电通道数值模拟研究

高功率霍尔推力器兼顾了比冲高、推力大、寿命长等特点。为了提高设计效率并考察热负荷问题，以50 kW级霍尔推力器为对象，采用单元粒子法(PIC)/蒙特卡罗碰撞模型(MCC)/直接模拟蒙特卡罗碰撞模型(DSMC)混合算法，建立二维对称计算模型。基于准电中性假设、中性原子考虑为背景气体，计算得到标准工况下(功率50 kW，流量86.4 mg/s)推力为2.2 N，比冲为2 598 s，与同类推力器实验结果对比，误差分别为5.18%和3.35%。在此基础上，考察了多种工况下(工作电压400~600 V，工质流量69.12~103.68 mg/s)放电通道内离子数密度、离子轴向运动速度、电子温度分布等参数。结果表明:增大工作电压会增强粒子间相互作用及离子加速喷出效果，流量调节影响电子温度和离子数密度分布;从推力器性能方面来看，增大工作电压，推力比冲随之增大，流量增大、推力增大，推力器的热损失功率占比达到15.94%。研究结果为高功率霍尔推力器的设计和实验提供了一定的参考依据。     

氨电弧喷射推力器实验和数值研究

为了证实氨电弧喷射推力器良好的工作性能，对其进行了系统的实验和数值研究。在实验研究中建立了高真空实验系统、先进的小推力测量系统和恒定电流控制系统，在数值研究中采用二阶精度无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式)数值求解耦合电磁源项的扩展N-S方程组。通过实验获得了不同结构尺寸的推力器不同工作条件下的工作性能，通过数值模拟给出了推力器的流场结构，预计了其推力、比冲和推进效率。研究结果表明，氨电弧喷射推力器工作性能良好，能够担负一定的空间应用任务。     

霍尔推力器工作性能数值模拟研究

为了模拟霍尔推力器推力、比冲等工作性能,采用粒子网格单元与蒙特卡洛相结合(PIC/MCC)方法,建立了霍尔推力器二维轴对称模型。模型中电子和离子均采用粒子描述,中性原子为背景气体,自洽电势通过求解泊松方程获得。跟踪推力器出口处离开的离子数量、轴向速度等信息,通过统计计算得到推力器的推力、比冲。以LHT100推力器为研究对象,针对不同的工作参数(阳极流量在4.6~5.4 mg/s,阳极电压在280~320 V之间)共进行了9种工况数值模拟,并进行试验对比验证,模拟结果与试验测试结果均较好吻合,最大误差小于10%。     

自由分子流微电热推力器(FMMR)流动模拟与喷嘴型面分析

FMMR是一种工作在自由分子流状态下的微电热推力器。考虑稀薄效应对FMMR喷嘴型面设计和分析的影响,采用直接蒙特卡罗(DSMC)方法模拟等截面、扩张型面、收缩-扩张型面3种不同喷嘴内的气体流动,分析了各种喷嘴型面对推力器性能的影响规律。结果表明,FMMR采用扩张喷嘴相对于等截面喷嘴,有较大的性能提升,推力最大可增加38%,比冲最大可增加23%;采用收缩-扩张喷嘴较扩张喷嘴能进一步使推力增加21%,但对比冲无明显改善。     

同轴型微阴极电弧推力器的设计及性能测试

为了给微纳卫星在轨动作提供合适的推力,研制了一种同轴型微阴极电弧推力器(CA-μCAT),采用同轴布置的棒状阳极和圆筒形阴极,利用真空环境下电弧放电产生的高温烧蚀金属阴极,电离产生等离子体,并在多物理场耦合作用下高速喷出推力器产生推力。文章分别对该推力器的放电特性、推进剂烧蚀速率、等离子体离子电流、元冲量等多个参数进行了测量与分析。结果表明,该推力器能够持续稳定点火运行,电离率在4%～7%;无外加磁场下,元冲量和比冲分别为0.485μN·s和195.6 s;在磁感应强度为0.044 T时,元冲量和比冲分别为1.285μN·s和518.2 s;平均推力在10μN量级。     

离子液体推力器性能影响因素仿真研究

文章主要研究离子液体推力器发射阵列几何结构参数对推力器性能的影响。建立单个发射极粒子网格法仿真模型,模拟获得了单个发射极束流分布及推力、比冲等性能参数曲线;通过改变电极间距及引出极孔径获得了单个发射极平均推力和角向效率的变化曲线,分析了电极间距及引出极孔径对推力器性能的影响。研究表明:在离子被引出极拦截前,推力器角向效率与电极间距成正比,与引出极孔径成反比;在不考虑发射离子数量和比例改变情况下,推力器推力随电极间距的增加先增大后减小,一定范围内随引出极孔径的减小而增大,但过小的引出极孔径会造成严重的推力损失与栅极侵蚀。以上研究结果可为离子液体推力器的优化设计提供参考。     

一种新颖的微空心阴极放电等离子体推力器

微小卫星的发展和成功应用迫切需要新型微推力器的研制。微放电技术是等离子体放电中重要的一类,近几十年来成为各国的研究热点。其中,微空心阴极放电(MHCD)是一种新颖的非平衡高气压辉光放电,其优点是可以在高气压下稳定放电,并且只需要非常低的电压(几百伏特)或者输入功率(百毫瓦数量级)。MHCD建立在2个几百微米厚度的金属平面电极上,材料可以是钼、铝等,由电介质(云母或氧化铝)隔开。"三明治"的布局结构上从一个电极到另一个电极钻有直径为几十微米到几百微米的孔,气体压强可以很高,甚至超过大气压。微空心阴极放电较小的尺寸结构与强烈并可控的气体加热相结合,可以开发应用在新型的电热式微等离子体推进上。由于微空心阴极放电等离子体推力器在微放电等离子体中加热了工质气体,随后通过微喷管喷出产生推力,因此与传统的冷气微推力器相比,可大大提高推力器的比冲和推力。     

小功率N_2推进剂电弧推力器工作过程和性能实验

电弧推力器 (arcjet)因其高推力 /功率比、高推力密度等特点成为当前国际上电火箭研究和应用的热点。文章描述了 arcjet的内部工作机理 ,介绍其实验和工作参数测量方案 ,针对小卫星使用 N2 作为推进剂 ,对 4种不同结构尺寸的小功率 arcjet进行了不同工况下的性能实验 ,给出初步的发动机工作性能参数及实验结果分析。实验结果表明优化推力器工作参数并合理设计其结构尺寸可提高推力器性能。所得结论对小功率 N2 arcjet推力器的优化设计具有的参考价值。     

N2O微推力器性能及喷管热结构分析

针对采用氧化亚氮推进剂的单组元微推力器开展了比冲性能影响因素的分析,分析结果显示微推力器比冲与氧化亚氮分解效率及喷管扩张比有着密切关系。利用有限元分析法对高空及地面试验两种工况下氧化亚氮单组元微推力器喷管的结构温度场开展了数值仿真计算,并在结构温度场仿真计算的基础上进一步对地面试验用喷管的结构应力场进行了分析。初步试验表明,所设计的微喷管在地面工况下工作良好。     

霍尔推力器羽流离子能量实验研究

霍尔推力器羽流中的离子能量分布情况对于评估推力器羽流影响,优化推力器在航天器上的布局具有重要意义。本文使用阻滞势分析器对霍尔推力器羽流的离子能量分布进行了实验研究,获得了推力器在不同工况下羽流场中关注位置的离子能量分布状况。实验结果表明:霍尔推力器羽流离子主要由电荷交换碰撞产生的低能量离子和高能量源离子组成;高能量源离子的分布在推力器轴线达到最大值,低能量离子的分布随着与推力器轴线夹角的减小呈先增后减态势;随着霍尔推力器放电电压的提高,羽流源离子能量分布会相应向高能量方向偏移。     

磁等离子体动力推力器发展历程及工程应用中关键技术分析

磁等离子体动力推力器具有比冲高、推力密度大的特点,被认为是未来大功率空间任务最有潜力的推进方案之一。作为电磁推进装置的一种,磁等离子体动力推力器的性能与磁场密切相关。文章从磁场来源的角度讨论了磁等离子体动力推力器的发展历程,分别介绍了自身场磁等离子体动力推力器和附加场磁等离子体动力推力器的工作原理以及几款典型的推力器原理样机的结构和特点。此外,分析了推力器综合效率与磁场产生效率之间的关系,针对磁等离子体动力推力器的工程应用中的一些关键技术进行了探讨,具体包括大功率空间能源系统、推力器寿命、推力器小型化和轻质化等方面,并列举了国内外研究机构在这些方面做出的部分研究工作。最后对磁等离子体动力推力器的未来发展方向进行了展望。     

小功率N2推进剂电弧推力器工作过程和性能实验

电弧推力器（arcjet)因其高推力／功率比，高推力密度等特点成为当前国际上电火箭研究和应用的热点，文章描述了arcjet的内部工作机理，介绍其实验和工作参数测量方案，针对小卫星使用N2作为推进剂，对4种不同结构尺寸的小功率arcjet进行了不同工况下的性能实验，给出步的发动机工作性能参数及实验结果分析，实验结果表明优化推力器工作参数并合理设计其结构尺寸可提高推力器性能。所得结论对小功率N2arcjet推力器的优化设计具有的参考价值。     

离子液体电喷推力器的关键技术及展望

首先介绍离子液体电喷推力器的工作原理和分类,通过与其他相同推力量级的电推力器对比进一步分析了其特点,然后总结了离子液体电喷推力器的国内外研究现状,在此基础上重点梳理了微尺度下带电粒子的产生与加速、微细制造与精密装配、推进剂贮存和供给、高升压比微功率电源处理单元以及比冲和推力测试等离子液体电喷推力器研制过程中涉及的关键技术,最后展望了小型化、模块化与推力密度提升的发展趋势并提出离子液体电喷推力器的发展构想。     

自由分子流微电热推力器数值模拟计算

基于微机电系统技术的自由分子流微电热推力器(FMMR)是一种微型电热推力器,它具有集成化程度高、体积小、质量轻、响应速度快、推质比高、可靠性高和易于集成为推进阵列等特点,它在军事和民用微/纳航天器方面有广阔的应用前景。通过建立合理的数学模型,如分子与壁面相互作用模型采用CLL模型,分子模型采用变径硬球模型,分子碰撞对的选取采用取舍方法。采用直接模拟蒙特卡罗方法结合信息保存法对FMMR的流动特性进行了数值模拟计算和性能计算,并对影响推力器性能的各种因素进行分析。计算和分析结果表明,当采用氩气和水作为推进剂工质,薄膜电阻温度为600K,工作滞止压强为500Pa时,FMMR推进单元的比冲分别为47.900s(1s=9.8N·s/kg)和68.163s,推力为0.158mN,效率为25.8%。通过优化设计、系统集成等可以进一步提高推力器的比冲、推力和效率。     

PATR发动机控制特性和最大状态控制规律分析

为了研究预冷空气涡轮火箭发动机(PATR)的最大状态(最大推力和最大比冲状态)控制规律,建立了PATR的稳态变工况模型,研究了控制量对发动机性能参数的影响特性,给出了在总氢流量一定的前提下,发动机的最优性能状态(推力和比冲同时达到最大)控制规律,在此基础上进一步分别得到了发动机的最大推力状态和最大比冲状态的控制规律,并分别给出了发动机处于最大推力状态和最大比冲状态下的飞行包线。结果表明:当总氢流量一定时,PATR发动机的推力和比冲将随主燃室温度、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积的增加而增大;给定总氢流量下的PATR发动机的最优性能状态控制规律为:核心机余气系数之和等于1、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积分别取得最大值,此时发动机的推力和比冲同时达到最大,发动机处于最优性能状态;当主燃室温度、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积一定时,推力随总氢流量的增加而增大,比冲与之相反;PATR发动机的最大推力状态控制规律为核心机余气系数之和等于1、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积分别取得最大值,并要尽可能地增加总氢流量;PATR发动机的最大比冲状态控制规律为核心机余气系数之和等于1、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积分别取得最大值,并要尽可能地减小总氢流量。     

场发射电推力器的研究现状及其关键技术

与传统的化学推进相比,电推进具有高比冲、小推力、长寿命等特点,能够大幅节省推进剂、增加有效载荷质量,从而增加航天器在轨寿命,提高航天器的整体性能与收益,特别适合用于航天器的姿态控制、轨道转移和深空探测等任务。场发射电推力器是一种具有比冲高、推力冲量分辨率高、推力噪声低、功耗及成本低、结构紧凑等优点的电推力器,是重力梯度卫星的高精度阻力补偿、微纳卫星的姿态控制和轨道转移、星座编队飞行等任务最有前景的推进技术之一。简述了场发射电推力器的工作原理、结构和特点,重点分析了国内外场发射电推力器的研究现状以及关键技术。     

PATR发动机发展历程简介及参数特性分析

介绍了PATR发动机的发展历程,总结了其创新优化思路。针对PATR热力循环方案进行了设计点输入参数影响分析,开展了弹道特性、高度特性和转速特性仿真计算,结果表明:热容比对于发动机性能影响最为显著,热容比k HX 2每增加1,比冲降低0.59,单位推力增加0.39;空气压气机和氦涡轮等熵效率、预冷器空气侧总压恢复系数对发动机性能也有明显影响,空气压气机等熵效率每增加1比冲增加0.12,单位推力增加0.12,其余参数对发动机性能影响相对较小;随着飞行马赫数增加,PATR发动机比冲呈下降趋势,单位推力在外涵开始工作时会产生跳跃式下降,之后基本保持不变;飞行高度增加会使发动机比冲增高,单位推力降低;转速降低会使发动机比冲和单位推力降低,并且内涵和外涵流路共同工作时的降幅明显小于内涵流路单独工作时的降幅。     

纳米碳粉掺杂对激光烧蚀GAP的推进性能影响

实验以含能聚合物聚叠氮缩水甘油醚(Glycidyl azide polymer,GAP）作为激光烧蚀微推力器的靶材。通过对不同浓度纳米碳粉掺杂和靶材厚度下激光烧蚀GAP的比冲、冲量耦合系数和能量转化效率测量，结合靶材喷射羽流图像，分析了纳米碳粉掺杂提高激光烧蚀聚合物靶材推进性能的机理，给出纳米碳粉掺杂的适用方式。实验结果表明：透射式下，掺杂纳米碳粉之后，聚合物对激光的吸收大幅增强，但激光烧蚀推进性能不随掺杂浓度增加而显著提升；纳米碳粉吸收激光能量形成温度极高的局部热区促进聚合物中化学能的释放，是推进性能提升的主要原因；掺杂纳米碳粉之后的GAP烧蚀深度降低，表现出面吸收特性；随着靶材厚度的增加，未完全烧蚀的工质质量增加，使得靶材的利用率大大降低，导致聚合物推进性能下降。实验中掺杂3%纳米碳粉、厚度为54 μm的GAP靶材最优能量转化效率超过250%，适合作为透射式激光烧蚀微推力器的靶材。