基于固体工质的空间微推进技术研究进展

采用固体工质的微推力器具备结构简单、可靠性高、成本低的优点,是最适合微纳卫星的动力装置之一。固体微推进技术可分为微电推进和微化学推进两大类。本文介绍了五种典型固体微推力器的工作原理,包括微脉冲等离子体推力器、真空弧推力器、电控固体微推力器、激光微推力器、固体阵列微推力器,系统梳理了它们的发展历程,总结了其最新的研究进展和应用现状。在此基础上,对固体微推进技术的发展方向进行了展望,以期为微纳卫星动力系统的研发与优选提供参考。

固体工质电热化学炮膛内两相流模型与计算

该文建立了固体工质电热化学炮 (SPETCG)内弹道一维两相流模型。对常规火炮两相流模型的主要改进包括 :在初期点火阶段 ,建立了描述等离子体射流分布的积分近似数学模型 ;在燃烧阶段 ,引入了描述等离子体射流的混合长度模型和燃烧增强因子。并且考虑了高温等离子体环境对相间换热的强化效应。根据SPETCG环境中等离子体射流注入特点 ,在计算网格设计中引入了自适应方法。通过与常规弹道作比较 ,指出了SPETCG内弹道过程与常规弹道不同的特点 。

新型固体工质脉冲等离子体推力器试验研究

脉冲等离子体推力器(Pulsed Plasma Thruster,PPT)因其推力小、质量小、功率低等特点,被认为是微小卫星执行某些推进任务的电推进装置之一,但其因效率低下,一直为人所诟病。针对这一现状,将聚四氟乙烯(PTFE)掺入质量配比为2%、5%(6%)、10%和15%的铜和碳,制成掺铜工质(PTFE-Cu)和掺碳工质(PTFE-C)。在3种不同放电能量(1J、1.44J、2.25J)的条件下,测量PPT使用这些工质工作时的电压、电流和脉冲烧蚀质量,并根据结果估算PPT的元冲量、比冲、效率等推进性能。此外,还基于发射光谱理论,对等离子体的种类、特性进行了诊断研究。研究结果表明,烧蚀质量随掺杂量的增加而增加;元冲量随着掺碳量的增加而增加;PTFE-Cu-10%的元冲量最大,为56.47(μN·s);当使用PTFE-C-2%和PTFE-Cu-10%时,PPT的性能最好;掺碳和铜在一定程度上促进了PPT的电离过程,进而提高了推力器的效率。

固体含能工质等离子体单药粒点火特性分析

作为固体工质电热化学 (SPETC)炮等离子体点火特性的基础性研究 ,本文利用等离子体切割机提供的等离子体源 ,对单基、多基火药的等离子体点火特性进行了实验研究 ,得出了不同类型火药在不同点火强度条件下的点火特性 。

对凝聚态工质激光推进的思考

液体和固体等凝聚态物质以其自身独有的特性引起了广泛的研究兴趣。目前的研究结果表明,液体工质的冲量耦合系数较高,固体工质的比冲较高,但是能量转化效率都比较低。对照化学火箭发动机的理想热力循环过程,在对激光推进工作过程合理简化假设的基础上,给出了激光推进的理想热力循环过程,对激光推进的能量转化效率和化学火箭发动机的热效率进行了定量对比分析,结果表明,在能量转化效率方面激光推进并没有优势。分析了掺杂材料、含能工质以及液膜对激光推进理想热力循环过程的影响。定量研究结果表明,含能工质对能量转化效率的提高作用最明显,掺杂材料和含能工质对能量转化效率的提高效果比较明显。

膛内等离子体点火及燃烧增强过程数值模拟

在初始点火过程中 ,假设等离子体为充分发展射流流动 ,因而可采用积分近似模型进行描述。而在随后的膛内燃烧过程中通过以经验公式给出等离子体混合长度的方法来处理等离子体的运动 ,并给出了合适的相间阻力及传热公式。通过在计算网格设计中引入了自适应方法提高了数值解精度。计算膛压曲线与实验符合良好。相对常规内弹道情形 ,等离子体能量的注入使在不同时刻膛内的气、固两相速度、压力和膛底温度等出现提高 ,这是等离子体注入后对内弹道的增强过程。计算结果为固体工质电热化学炮的弹道设计提供了理论依据。