交流水電弧引發(fā)的推進(jìn)效應(yīng).pdf

1、近十年來(lái)，隨著小衛(wèi)星、微小衛(wèi)星、行星探測(cè)器以及深空探測(cè).、星際航行等空間探測(cè)技術(shù)的興起，要求航天器上的推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量更輕、體積更小、效率更高，傳統(tǒng)的冷氣和化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)越來(lái)越難以達(dá)到要求，發(fā)展結(jié)構(gòu)緊湊、消耗工質(zhì)少、成本低廉的推進(jìn)系統(tǒng)已成為迫切需要。采用電推進(jìn)可以增大航天器上有效載荷的重量或縮小航天器尺寸，且只需更小、更廉價(jià)的運(yùn)載火箭，因此可以顯著降低費(fèi)用，尤其適用于各類航天器的姿態(tài)控制、軌道修正、位置保持，乃至宇宙探測(cè)和星際航行等任務(wù)。

2、 電推進(jìn)技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在日益引起人們的濃厚興趣，特別是電弧加熱推進(jìn)技術(shù)。在航空航天領(lǐng)域電推進(jìn)多采用氣體作為工質(zhì)，而用高導(dǎo)電性水作為工質(zhì)，研究水電弧現(xiàn)象和水電弧加熱推進(jìn)效應(yīng)的研究相對(duì)較少。本文摒棄了空間等離子體推進(jìn)技術(shù)以惰性氣體為推進(jìn)劑的技術(shù)方案，采用具有高焓特性的水作為推進(jìn)劑，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，不污染環(huán)境，成本低廉，水蒸氣具有高焓特征等優(yōu)點(diǎn)，水電弧可以應(yīng)用于推進(jìn)、切割、焊接和污水處理等方面。在航天領(lǐng)域所采用的推進(jìn)技

3、術(shù)，除了工質(zhì)之外，還要采用保護(hù)氣體，甚至有的還需要冷卻。本文只采用水，它起到推進(jìn)劑、保護(hù)氣體和冷卻劑三位一體的功能，對(duì)這種單一介質(zhì)所起的三種功能必須用等離子體物理、流體力學(xué)和熱力學(xué)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行分析。 在參閱了大量的文獻(xiàn)基礎(chǔ)之上，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究和試驗(yàn)，建立了水電弧加熱發(fā)生器的物理模型并分析了它的工作機(jī)理。分析了起弧放電條件，找出了設(shè)計(jì)水電弧加熱發(fā)生器時(shí)應(yīng)遵循的基本規(guī)律，導(dǎo)出了發(fā)生器入口處最大水量的計(jì)算公式。本文研制出的水電弧加熱

4、發(fā)生器與傳統(tǒng)的錐形電弧發(fā)生器結(jié)構(gòu)完全不一樣。 建立了水電弧加熱發(fā)生器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析了水電弧加熱發(fā)生器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及電弧對(duì)電源的要求。即要使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，要求工作點(diǎn)處，電源施加在電弧上的伏安特性曲線的下降陡度要小于該點(diǎn)電弧伏安特性曲線陡度。設(shè)計(jì)了具有陡降伏安特性曲線的高壓電源和電抗器。建立了發(fā)生器伏安特性測(cè)試電路，檢測(cè)了發(fā)生器電壓和電流信號(hào)，得出了伏安關(guān)系曲線并對(duì)其進(jìn)行了分析，分析表明它不僅具有電弧的一般特性，還具有過(guò)零、熄弧

5、和重燃等特性。 采用光譜法測(cè)量電弧溫度，重新制作了便于測(cè)量水電弧溫度的發(fā)生器，根據(jù)測(cè)量結(jié)果分析了電弧溫度與水量以及電弧溫度與電流之間的關(guān)系。進(jìn)行了水電弧加熱推進(jìn)試驗(yàn)，即推動(dòng)模型船行駛，檢測(cè)了推進(jìn)器的推力。 分析了水在發(fā)生器內(nèi)的加熱起弧過(guò)程以及電導(dǎo)率和電流密度隨溫度變化情況。建立了發(fā)生器內(nèi)工質(zhì)遵守的電磁場(chǎng)方程、流體連續(xù)方程、質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，設(shè)計(jì)了用耦合法計(jì)算水電弧發(fā)生器內(nèi)部電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和流場(chǎng)計(jì)算流程圖，據(jù)此用

6、fluent軟件為平臺(tái)進(jìn)行了二次開發(fā)，綜合考慮電熱和相變理論，將水氣兩相流場(chǎng)、熱場(chǎng)、電場(chǎng)耦合在一起，計(jì)算出了水電弧發(fā)生器內(nèi)的溫度、工質(zhì)密度、壓強(qiáng)和工質(zhì)流速隨時(shí)間變化情況，計(jì)算結(jié)果又有助于發(fā)生器的設(shè)計(jì)。 建立了水射流等離子弧羽流的電磁約束物理模型并進(jìn)行了公式推導(dǎo)，得出帶電粒子在均勻磁場(chǎng)和電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡方程。對(duì)單帶電粒子和等離子體在均勻磁場(chǎng)和電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)了一些失穩(wěn)現(xiàn)象并研究了失穩(wěn)原因，為合理設(shè)置均勻電場(chǎng)和磁場(chǎng)提