固體燒蝕型脈沖等離子體推力器工作特性研究.pdf

1、作為最早得到空間應(yīng)用的一種電推進(jìn)系統(tǒng)，脈沖等離子體推力器具有比沖高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制、位置保持和軌道提升等任務(wù)，是目前微小衛(wèi)星推進(jìn)技術(shù)研究的熱點(diǎn)和重要方向之一。
　　為了提高推力器的工作性能，減小羽流污染效應(yīng)，本文以采用聚四氟乙烯作推進(jìn)劑的固體燒蝕型脈沖等離子體推力器(Ablation-fed Pulsed Plasma Thruster, APPT)為研究對(duì)象，采用理論分析、數(shù)值

2、模擬和實(shí)驗(yàn)研究手段對(duì)其工作特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　建立了包括放電電路模型、兩相燒蝕模型、磁流體流動(dòng)模型、熱化學(xué)與輸運(yùn)模型在內(nèi)的APPT工作過(guò)程的一系列模型，研究了相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法，發(fā)展了工作過(guò)程的數(shù)值模擬程序，在算例驗(yàn)證的基礎(chǔ)上對(duì) APPT的工作過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值研究。分析推進(jìn)劑的燒蝕過(guò)程發(fā)現(xiàn)，推進(jìn)劑燒蝕過(guò)程與推力器放電過(guò)程之間的匹配失衡以及放電電流的反復(fù)振蕩降低了推力效率，將燒蝕推進(jìn)劑和加速等離子體的能量分開(kāi)可以大幅提高推力器

3、性能，在放電后期迅速關(guān)斷放電電流和對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行冷卻有助于減小因粒子發(fā)射帶來(lái)的推進(jìn)劑損失，從而提高推力效率。對(duì)推力器內(nèi)部流場(chǎng)和工作性能的數(shù)值研究表明，放電初期等離子體在很強(qiáng)的電磁力作用下高速噴出推力器，產(chǎn)生的沖量占元沖量的大部分，而到放電后期等離子體主要受氣動(dòng)力的作用，運(yùn)動(dòng)速度很慢，降低了APPT的推力效率?？疾炝薍all效應(yīng)對(duì)APPT放電通道內(nèi)等離子體流動(dòng)過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)Hall效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致等離子體偏向陰極一側(cè)噴出，產(chǎn)生側(cè)向推力并造成推力

4、損失。
　　討論了 APPT放電電流的阻尼特性，揭示出通過(guò)減少回路電感以減小電流振蕩或者改進(jìn)放電電路使放電呈非周期放電的形式可以延長(zhǎng)電容器壽命，提高能量傳輸效率并增強(qiáng)電磁加速作用。通過(guò)數(shù)值模擬比較了多種放電電流作用下的推力性能，結(jié)果表明應(yīng)用整流硅堆可以在一定程度上改善推力器性能，采用PFN放電電路能夠使工作性能得到較大幅度的提升。
　　考慮磁場(chǎng)對(duì)等離子體羽流的影響，結(jié)合DSMC和PIC方法建立了粒子-流體混合模擬模型，以磁流

5、體力學(xué)模擬結(jié)果提供羽流場(chǎng)的入口條件對(duì) APPT羽流開(kāi)展了三維數(shù)值模擬。研究表明，羽流膨脹過(guò)程中各組分的動(dòng)力學(xué)行為差異明顯；放電電流振蕩會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生低速離子群，并會(huì)加重離子回流；電磁加速是羽流等離子體主要的加速機(jī)制，磁場(chǎng)對(duì)推力器羽流的流向加速和反向回流具有重要作用；電極橫向方向上的羽流污染比展向方向的嚴(yán)重。
　　研制了一種平行電極型尾部饋送式APPT，改進(jìn)了微推力測(cè)量方法，結(jié)合燒蝕質(zhì)量和放電參數(shù)測(cè)量對(duì)推力器的推力性能進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表

6、明提高電容器的初始儲(chǔ)能可以有效提升推力器的工作性能。利用光纖光譜儀對(duì) APPT的等離子體發(fā)射光譜進(jìn)行了診斷，發(fā)現(xiàn)等離子體中包含+2++2C、C、C、F、F等組分。使用超高速攝影儀和帶通濾光片拍攝了 APPT的放電過(guò)程，結(jié)果顯示出推力器工作時(shí)有大量等離子體噴向陰極一側(cè)，放電過(guò)程中離子以高速很快噴出放電通道，剩下大量中性粒子從推進(jìn)劑表面的位置緩慢向下游運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致 APPT的推力效率較低。研制了Langmuir三探針診斷系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了基于Lab