水工质微波等离子推力器喷管流场及推力性能研究

采用Delaunay方法生成三角形单元的非结构网格离散计算区域,利用格心有限体积法对水工质微波等离子推力器喷管流场和推力性能进行了数值模拟。揭示了水工质微波等离子推力器喷管的流动规律。研究结果表明:在喷管入口压强为0.35 MPa时,增加工质气体的总温,可以提高推力器的比冲,同时推力的变化很小。在收敛角和扩张角不变的情况下减小喷管喉径,能够略微提高推力器的比冲。而推力器腔体内压强变化很大。保持喷管喉径和出口直径不变,在喷管扩张半角从10°增大到40°的过程中,推力器的比冲和推力先增大后减小;扩张半角为17°时,推力器性能最佳。

水工质脉冲等离子体推力器的宏观性能

为了揭示水工质脉冲等离子体推力器(WPPT)的工作特性,探究WPPT运行过程中的能量分布及性能影响机制,提出了一种新的性能仿真模型。该模型能够定量化地描述WPPT放电等离子体的产生及其电磁和气动耦合加速效应,简单且快速有效地评估电推力器的宏观性能。以东京大学的实验样机为对象进行模型验证和仿真研究。结果表明:计算所获得的元冲量、比冲等性能参数与实验数据较符合;脉冲消耗工质中约20%被离子化和加速排出;该推力器的电容储能(E_0=13.5 J)转换成加速动能的能量转换效率约为40%,其中仅14%用于电磁加速。最后基于此模型分析不同推力器电参数和推力室构型参数对性能的影响,研究结果对推力器的设计具有重要意义。

水工质微波加热推力器的击穿点火与离解损失估算

对水工质微波等离子推力器(MPT),用微波击穿气体放电产生等离子体的条件,数值估算了其点火的可行性;通过化学动力学计算证明了水工质MPT中离解损失的存在,并初步估算了理解损失的大小。结果表明,在1 kW的输入功率下水工质MPT的点火启动并不特别困难,从点火到稳定工作,能量吸收从场致电离、碰撞电离转变为热电离、碰撞电离和场致电离;水在MPT工作过程中会发生离解,离解损失在各类能量损失中所占的比重较大。

水工质微波电火箭能量吸收转换机理分析

对水工质微波等离子推力器,用微波击穿气体放电产生等离子体的条件,通过数值计算预估了其点火的可行性;通过等离子体流动方程分析了其从点火到稳定工作的能量吸收形式;从输入和吸收微波功率的角度,分析了提高能量吸收效率可能的途径。结果表明,水工质MPT的点火启动并不特别困难;从点火到稳定工作,能量吸收从场致电离、碰撞电离转变为热电离、碰撞电离和场致电离;扩大等离子体区是提高能量吸收效率的有效途径。