mN级同轴式电控固体推力器设计及实验研究.pdfVIP

摘要

在近些年来，各国开始争夺近地大气层外的真空空间的制霸权，而目前在轨

的大部分卫星都不具备强大的机动和变轨能力，在面对反卫星武器时常落入被动

局面，而且太空中存在的大量太空垃圾，需要可靠的动力支持以实现机动变轨。

而同轴式电控固体推力器的设计简单，可靠性高，能迅速响应点火产生推力，实

现卫星的变轨需求，同时具备多次点火和推力可调的优点，提高卫星机动的不确

定性，从而提高卫星的生存能力和寿命。但目前同轴式电控固体推力器绝缘配方

和点火规律的研究仍处于较为空白的领域，绝缘层配方各组分对绝缘能力和推进

剂燃烧的影响值得深入探究，此外也没有结合相关实验设计的同轴式电控固体推

力器的案例。本文围绕上述问题进行实验研究，主要内容如下：

首先，通过实验对比了分别使用聚四氟乙烯、酚醛树脂和磺化酚醛树脂的绝

缘层成型效果，确定了酚醛树脂最适合作为绝缘层的绝缘树脂成分。分别通过绝

缘性能测试实验和燃烧性能分析，得出了酚醛树脂在绝缘层中的最佳含量。通过

热重分析和差重分析，从机理上分析了绝缘层在燃烧后产生大量炭黑残余的原

因，确定了绝缘层需要的最低点火温度。此外，分别对二氧化硅、N,N-二甲基甲

酰胺，在微观上对绝缘层成型效果的影响进行了分析，并分析了填充材料对绝缘

层性能的影响。

其次，利用由“T”型电极组成的点火试验台，对绝缘层和电控固体推进剂进

行点火实验。由实验得点火电压是电控固体推进剂点火的关键参数之一，点火电

压过高，会使得推进剂燃烧速率过快，产生较高的燃烧压力和温度推进剂氧化剂

的含能量会影响推进剂的燃烧速率和稳定性，能量高的氧化剂通常能使推进剂的

燃烧速率更快推力更大但也可能引起燃烧失控和不稳定。绝缘层的厚度直接影响

推进剂的点火燃烧性能，过薄的绝缘层会使得绝缘层在推进剂燃烧过程中被烧蚀

过快，从而导致推进剂的整体燃烧。推进剂并联点火时对推进剂和绝缘层的要求

较高，需尽可能满足两点火电极上推进剂和绝缘层的性能参数相似。

再次，通过对点火时推进剂表面的电流密度进行仿真，结果显示，中心电极

与外电极的间距越小，越利于推进剂的点火，能提高推进剂的燃烧效率；同时结

合推进剂的性能仿真，对同轴式电控固体推力器的绝缘密封和喷管结构进行了设

计。

最后，对设计的同轴式电控固体推力器进行验证实验。点火电压和含能量较

高的推进剂对推力器点火的影响与前文的实验结果一致。安装喷管后推力器的推

力、比冲和工作效率都得到了提升。此外对不同材料和不同电极间距对推力器特

性的影响进行了实验。由实验可知使用不同材料的电极可以提高点火成功率，并

且增强推进剂的燃烧效果，而电极间距的增加会降低推进剂的燃烧效率和多次启

停的成功率。

关键词：同轴式电控固体推力器；绝缘层配方；电流密度；点火燃烧

Abstract

Inrecentyears,countrieshavebeguntocompeteforthesupremacyofthevacuum

spaceoutsidethenear-earthatmosphere,butatpresent,mostofthesatellitesinorbitdo

nothavestrongmobilityandorbittransferability,andfallintoapassivesituationinthe

faceofanti-satelliteweapons.Andalargeamountofspacejunkinspaceneedsreliable

powersupporttorealizemobileorbitchange.Ontheotherhand,thecoaxialelectronically

controlledsolidthrusterhastheadvantagesofsimpledesignandhighreliability.Itcan

quicklyrespondtoignitiontogeneratethrustandrealizetherequirementofsatelliteorbit

change.Atthesametime,ithastheadvantagesof