脉冲等离子体推力器工作过程及羽流特性理论与实验研究

代理获取

页面导航

目录
摘要
著录项
相似文献
相关主题

摘要

固体烧蚀型脉冲等离子体推力器(Ablative Pulsed Plasma Thruster，APPT)是一种极具优势的电推进系统，它具有平均功耗低、结构简单、重量轻、冲量小、比冲高的特点，已被广泛应用于微小卫星轨道保持、星座站点保持、阻力补偿等飞行任务。
　　本文综合使用理论分析、数值模拟和实验研究手段，以提高推力器工质利用效率、延长推力器使用寿命、提升推力器工作可靠性与性能、探究 APPT对航天器污染内部机理为研究目标，重点针对脉冲等离子推力器工作过程及羽流特性进行了系统深入的研究。在对PTFE放电工作过程及工质烧蚀物理现象分析的基础上，建立了考虑辐射能量吸收、材料表面反射特性及发射特性影响的一维工质烧蚀模型；对工质烧蚀基本物理过程进行了数值模拟研究，分析了不同放电特性对工质烧蚀特性的影响。研究结果表明：APPT放电工作不同阶段，工质烧蚀具有不同特点。放电电流的衰减振荡会增加系统能量的损失，增加熔融态PTFE厚度；减小放电振荡程度，可以有效降低由于工质粒子发射带来的工质损耗。建立了APPT地面实验系统。设计了APPT地面实验样机，改造了地面电源及点火系统；设计了一种新型的由激光控制工质烧蚀质量、可采用包括金属在内多种材质为工质的激光耦合脉冲等离子体推力器；烧制了PTFE基掺杂改性工质；改造了钟摆式微冲量天平，设计实现了以PSD为传感器的钟摆式微冲量测量天平位移信号测量装置及实时在线电磁标定方案。
　　本文进行了APPT及激光电磁耦合APPT性能实验研究。在对APPT系统性能进行理论分析的基础上，系统地研究了初始能量及能量供给方式、极板间距、极板构型等参数对APPT系统性能的影响，通过对APPT放电回路及性能参数拟合估算，初步弄清了参数变化对推力器性能影响的内部机制。研究表明：在相同电压条件下通过增大电容容量提升系统初始能量，减小推力器极板间距；同时，在一定角度范围内，增大极板扩张角并采用舌性极板，能够有效提升推力器比冲及系统效率。采用不同金属材质极板及不同PTFE基掺杂工质的APPT性能实验表明：不同材质极板及掺杂工质对APPT放电特性及系统性能均产生了一定的影响；在所采用极板材料中，70％Wu30%Cu具有最为优异的抗烧蚀能力，以70%Wu30%Cu为极板材料时APPT元冲量最大，但比冲及系统效率最低；在所试制的工质中，采用10%Al90%PTFE为工质时，APPT元冲量及系统效率最大。激光电磁耦合APPT工作性能实验结果表明：与传统APPT相比，以Al为工质的激光电磁耦合APPT比冲为5970s，效率为50.39%，系统性能提升明显。开展了APPT羽流特性诊断研究。建立了电流模式Langmuir三探针诊断系统；综合利用探针阵列、四级杆质谱仪及等离子体发射光谱的手段，对在不同初始能量条件下APPT羽流的等离子体电子温度、密度、速度空间分布特性及等离子体成分变化进行了诊断研究。研究结果表明：在APPT羽流区中，等离子体电子密度及温度随着距推力器出口距离及偏离推力器中心轴线角度的增大基本呈减小趋势；在与极板垂直平面内，等离子体具有非对称分布的特征，而在与极板平行平面内，等离子体分布则基本呈对称分布特性；APPT等离子体成分的相对含量，在不同能量范围内呈现出不同的变化趋势，随着初始能量的增大，中性成分相对含量逐渐减少，电离成分相对含量逐渐增多。
　　本文开展了脉冲等离子体推力器羽流沉积污染特性实验研究。利用场发射扫描电镜（SEM）、扫描探针显微镜（SPM）、傅里叶变化红外光谱仪（FTIR）、光电子能谱仪（XPS）及紫外可见光分光光度计，对APPT羽流不同空间方位沉积薄膜的形貌特征、结构成分及光学性质进行表征；分析了不同径向位置及初始能量改变对APPT羽流污染特性的影响。研究结果表明：APPT羽流沉积生成了具有不同结构及光学特性的低氟碳比碳氟膜。在 APPT羽流区不同区域等离子体特性及PTFE烧蚀电离基团的分布特性影响着沉积薄膜中各种键态的变化趋势，使得不同位置处沉积薄膜具有不同的结构。沉积薄膜的结构及薄膜表面粗糙度对沉积薄膜光学特性产生影响，不同位置处沉积薄膜具有不同的透射及反射特性。在与极板垂直平面内，沉积薄膜微观结构及光学特性以30度角为界在羽流不同区域中具有不同的变化趋势；与阴极侧各角度处沉积薄膜相比，阳极侧相应各角度处沉积薄膜均具有相对较小的氟碳比，薄膜透射率较小，反射率较大；与极板垂直平面沉积薄膜相比，在与极板平行平面内沉积薄膜氟碳比值及透射率相对较大。初始能量及空间方位的改变，使得沉积薄膜的结构和成分受羽流中等离子体及其成分变化的影响而发生变化，不同空间方位及不同能量下薄膜光学特性的变化较好的反映了薄膜结构的改变。

著录项

作者
张锐;
展开▼
作者单位

国防科学技术大学;

展开▼
授予单位国防科学技术大学;
学科航空宇航科学与技术
授予学位博士
导师姓名吴建军;
年度 2013
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类发动机理论与计算;
关键词
等离子发动机; 工质烧蚀; 羽流沉积; 能量损失;

相似文献

中文文献
外文文献
专利

1. 脉冲等离子体推力器等离子体羽流的光谱研究 [J] . 张华 ,吴建军 ,何振 . 光谱学与光谱分析 . 2016,第006期
2. 脉冲等离子体推力器羽流场数值分析 [J] . 谢泽华 ,周进 ,张锐 . 国防科技大学学报 . 2013,第005期
3. 脉冲等离子体推力器羽流的一体化粒子模拟 [J] . 尹乐 ,周进 ,杨乐 . 固体火箭技术 . 2010,第001期
4. 脉冲等离子体推力器羽流回流影响分析 [J] . 尹乐 ,周进 ,缪万波 . 固体火箭技术 . 2010,第006期
5. 脉冲等离子体推力器羽流预测计算研究 [J] . 尹乐 ,周进 ,杨乐 . 宇航学报 . 2010,第001期
6. 脉冲等离子体推力器羽流回流影响分析 [C] . 尹乐 ,周进 ,杨乐 . 湖南省第二届研究生创新论坛——航空宇航与控制科学分论坛 . 2009
7. 脉冲等离子体推力器工作过程及工质改性的理论与实验研究 [A] . 张华 . 2016

脉冲等离子体推力器工作过程及羽流特性理论与实验研究

目录

摘要

著录项

相似文献

相关主题

期刊订阅