水工质脉冲等离子体低功率推进器设计及研究.pdf

博士论文 水工质脉冲等离子体低功率推进器的设计与研究 摘 要 电推进系统以其优越的性能逐步取代传统的化学推进系统，被广泛用来为航天器提 供机动和控制推力。作为电推进的一种方式，脉冲等离子体推进器以高比冲、结构简单、 重量轻、良好系统继承性和可靠性等特点，成为当前国际电推进研究的热点之一。典型 问题，如：主放电期间的低速蒸汽和大粒子的发散造成推进性能低、Teflon烧蚀后产生 的碳和氟污染飞船上的设备等，限制了脉冲等离子体推进器的实际应用。为此，无污染、 性能高、具有广泛适用性的脉冲等离子体推进器技术是值得研究的重要课题。 本文从器件研制、推进性能的理论分析、机制实验入手，以低功率水工质脉冲等离 子体推进器为研究对象，从外部电路和本体结构的设计与制造、工作特性和性能、提高 性能的途径等方面对水工质脉冲等离子体推进器的推进机制进行系统研究，取得了以下 成果： 推导出基于磁流体动力学的质量流率方程，进而得以从一维准稳定等离子体流场的 较分析，得出采用水作为工质对低功率脉冲等离子体推进器性能的提高最有利的结论； 以水工质脉冲等离子体推进器物理模型的分析为前提，对推进器本体结构、主放电电路、 触发装置的设计方法进行研究，研制出了水工质脉冲等离子体低功率推进器实验系统。 从脉冲等离子体推进器基本性能关系式(推力、比冲、效率等)入手，把工作过程 近似为LCR电路，建立了零维模型。打破了采用不可变电路参量的传统解算零维模型 的束缚，提出了采用可变电路参量来解算模型，实现了解算精确性的提高。结合不可变 电路参量和可变电路参量的零维模型对电磁加速模式的低功率水工质脉冲等离子体推 进器的工作过程分别进行了理论分析，对外部电路结构参数对性能的影响进行了研究； 在搭建的放电回路测量系统上，通过放电回路测量实验，结合零维模型研究了水工质脉 冲等离子体推进器的放电类型、工作能量阈值等工作特性及放电参数对性能的影响，得 出了水工质脉冲等离子体低功率推进器具有良好的工作特性的结论。 从推力产生机制的角度(即推力由电热和电磁力制造)，以零维模型为理论基础， 通过对低功率水工质脉冲等离子体推进器的微冲量和等离子体中等效电阻的测量和理 论分析，研究了推功比、能量分配和效率对推进机制的影响。在搭建的低功率水工质脉 冲等离子体推进器的微冲量测量实验系统上，测量了羽流撞击水平靶的振动速度，并通 过建立的冲量平衡模型得出实测冲量和实测推功比；对放电电流与冲量理论公式相结合 摘要 博士论文 计算出的理论推功比与由实测冲量值计算出的推功比进行了比较分析，从推功比的角度 研究了电磁加速和电热加速在冲量制造过程中的变化趋势。把水工质PPT放电过程近似 水工质脉冲等离子体低功率推进器放电时的等离子体产生和膨胀扩散方式进行理论分 析的基础上，结合不可变电路参量的零维模型推导出水工质脉冲等离子体推进器在运行 过程中的能量分配关系和储能转换为电热和电磁加速的能量转换率公式。通过对放电电 流的测量和分析，得到等离子体中的等效电阻分布情况，从能量分配的角度研究了电磁 加速和电热加速在冲量制造过程中的变化趋势。 针对水工质脉冲等离子体低功率推进器的推功比低是由等离子体的高电阻造成这 一特点，在推进机制理论分析和实验研究的基础上，对易电离元素的基体干扰机理及对 等离子体电磁加速影响进行了研究，并提出在水工质中添加低电离势的易电离元素Na 和K来提高推进器性能的新方法。通过对采用NaCl水溶液、KCI水溶液的低功率水工质 脉冲等离子体推进器的放电电流测量和等离子体发射谱线测量和识别，验证了新方法的 有效性。 关键词：水工质脉冲等离子体推进器，低功率，性能，工作特性，微冲量，易电离 Ⅱ 博士论文 水工质脉冲等离子体低功率推进器的设计与研究 Abstract its ‘PulsedPlasma oneoftheelectric which,for T