超聲輔助電推力器發(fā)射機(jī)理及工作特性的研究.pdf

1、近年來，靜電推進(jìn)作為一種新型空間推進(jìn)技術(shù)已受到越來越廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)相比，靜電推進(jìn)技術(shù)具有比沖高、推力調(diào)節(jié)精確、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。多應(yīng)用于微小衛(wèi)星的軌道轉(zhuǎn)移與提升、阻力補(bǔ)償、南北位置保持、姿態(tài)控制等空間任務(wù)中。膠體推力器是其中一種典型的靜電式電推力器，具有結(jié)構(gòu)簡單，推進(jìn)劑易制備、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。然而傳統(tǒng)針式膠體推力器的推進(jìn)劑流量偏低，難以形成較大推力。一般將一定數(shù)量發(fā)射針整合成一個(gè)發(fā)射簇以提高推進(jìn)劑流量，但受到微制造和微裝

2、配技術(shù)的限制，單位面積上所能集成的發(fā)射針數(shù)量有限，僅通過增加發(fā)射針數(shù)量只能在一定程度上提高推力水平，無法滿足未來空間任務(wù)的需求。2008年，超聲輔助電噴這一概念被提出。該技術(shù)利用超聲振動(dòng)液膜表面上微細(xì)駐波的波峰來發(fā)射帶電液滴，形成穩(wěn)定可調(diào)節(jié)的射流。因此有望從根本上提高了發(fā)射點(diǎn)數(shù)量，解決了膠體推力器推進(jìn)劑流量低，發(fā)射針簇制造及裝配困難等問題。目前國外超聲輔助電噴方面的研究主要以靜電噴涂為應(yīng)用背景。作為一項(xiàng)新型電推進(jìn)技術(shù)的研究尚未深入開展，

3、尤其在發(fā)射機(jī)理分析、數(shù)值仿真、微細(xì)駐波波峰局部半徑及液滴尺寸理論求解、發(fā)射電流推算、推力器工作特性的影響參數(shù)及性能優(yōu)化等方面仍需大量工作。
　　本文在綜合了國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對超聲霧化、平面駐波形成、靜電發(fā)射原理等問題進(jìn)行了深入研究。首先對超聲輔助電推力器發(fā)射表面液膜的平面微細(xì)駐波進(jìn)行了理論分析，同時(shí)建立了靜電場條件下微細(xì)波波峰臨界狀態(tài)的平衡方程，推導(dǎo)了超聲輔助電推力器微細(xì)波波峰局部半徑以及發(fā)射液滴尺寸的理論解，并提出了推力器發(fā)

4、射電流估算方程?；诶碚撏茖?dǎo)和分析歸納了影響推力器工作特性的主要因素。本文還采用CFD方法模擬了平面微細(xì)駐波的形成穩(wěn)定過程，通過計(jì)算對比了振動(dòng)幅值及振動(dòng)頻率變化對微細(xì)駐波的影響。并采用UDS模型引入電勢源項(xiàng)模擬了微細(xì)駐波波峰處液體微元的演變、分離、吸出和加速等過程。
　　為了研究超聲輔助電推力器各工作參數(shù)對其發(fā)射性能的影響，建立了一套包括超聲波發(fā)生器、高壓電源、推進(jìn)劑供給系統(tǒng)、多頻率超聲發(fā)射器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑流量，極

5、間工作電壓，超聲振動(dòng)功率等參數(shù)的大范圍、高精度調(diào)節(jié)。同時(shí)開發(fā)了一套基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的軟件系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)推力器工作過程中各參數(shù)的實(shí)時(shí)控制、采集、計(jì)算等。
　　基于所研制的實(shí)驗(yàn)測試平臺，對發(fā)射表面微細(xì)駐波和推力器羽流狀態(tài)進(jìn)行了觀測實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，針對理論分析中所歸納的超聲輔助電推力器性能影響因素，分別開展了實(shí)驗(yàn)研究，具體包括極間工作電壓、推進(jìn)劑流量、超聲振動(dòng)頻率、超聲波功率、吸極距離等參數(shù)對推力器工作特性的影響實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)U

6、AEP樣機(jī)的發(fā)射電流隨極間電壓和推進(jìn)劑流量的增加而增大；隨吸極距離增大而減??；而調(diào)節(jié)超聲振動(dòng)頻率由低到高變化過程中，發(fā)現(xiàn)發(fā)射電流呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)結(jié)果提出了UAEP樣機(jī)工作參數(shù)的優(yōu)化區(qū)間。
　　在全面分析了推力器性能的影響參數(shù)后，本文有針對性地對吸極結(jié)構(gòu)及推進(jìn)劑組分進(jìn)行了優(yōu)化。研究對比了不同形狀、尺寸的吸極對推力器工作狀態(tài)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示與環(huán)狀吸極相比，網(wǎng)狀吸極可以得到更高的發(fā)射電流，并且極間發(fā)射電流隨網(wǎng)孔尺

7、寸的減小進(jìn)一步提高。通過有限元法計(jì)算得出了上述吸極極間電場強(qiáng)度和分布，驗(yàn)證了吸極對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。針對UAEP樣機(jī)的羽流發(fā)散問題，研制了一種基于靜電透鏡原理的聚焦型吸極。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該吸極可以顯著提高推力器羽流的聚焦效果，降低羽流束發(fā)散角。本文就推進(jìn)劑表面張力系數(shù)、粘度、密度、電導(dǎo)率等參數(shù)對UAEP樣機(jī)發(fā)射狀態(tài)的影響進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溶液表面張力系數(shù)和電導(dǎo)率是決定推進(jìn)劑性能的關(guān)鍵參數(shù)，采用低表面張力系數(shù)和高電導(dǎo)率的推進(jìn)劑可以明顯提高推力器性