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)簡單、控制方便等優(yōu)點，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)星推進技術(shù)研究的熱點和重要方向之一。
　　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)為研究對象，采用理論分析、數(shù)值

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

3、性能，在放電后期迅速關(guān)斷放電電流和對推進劑進行冷卻有助于減小因粒子發(fā)射帶來的推進劑損失，從而提高推力效率。對推力器內(nèi)部流場和工作性能的數(shù)值研究表明，放電初期等離子體在很強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力的作用，運動速度很慢，降低了APPT的推力效率?？疾炝薍all效應(yīng)對APPT放電通道內(nèi)等離子體流動過程的影響，發(fā)現(xiàn)Hall效應(yīng)會導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，揭示出通過減少回路電感以減小電流振蕩或者改進放電電路使放電呈非周期放電的形式可以延長電容器壽命，提高能量傳輸效率并增強電磁加速作用。通過數(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。
　　考慮磁場對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、體力學模擬結(jié)果提供羽流場的入口條件對 APPT羽流開展了三維數(shù)值模擬。研究表明，羽流膨脹過程中各組分的動力學行為差異明顯；放電電流振蕩會導致產(chǎn)生低速離子群，并會加重離子回流；電磁加速是羽流等離子體主要的加速機制，磁場對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重。
　　研制了一種平行電極型尾部饋送式APPT，改進了微推力測量方法，結(jié)合燒蝕質(zhì)量和放電參數(shù)測量對推力器的推力性能進行了評估，結(jié)果表

6、明提高電容器的初始儲能可以有效提升推力器的工作性能。利用光纖光譜儀對 APPT的等離子體發(fā)射光譜進行了診斷，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的放電過程，結(jié)果顯示出推力器工作時有大量等離子體噴向陰極一側(cè)，放電過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劑表面的位置緩慢向下游運動，導致 APPT的推力效率較低。研制了Langmuir三探針診斷系統(tǒng)，開發(fā)了基于Lab