10微克级液体脉冲等离子体推力器供给系统研究

用水作为脉冲等离子体推力器(PPT)的推进剂是改进其性能的新思路,可以有效提高比冲、防止滞后烧蚀以及降低污染。但微量推进剂供给系统是实现液体脉冲等离子体推力器(LP-PPT)的前提条件,也是LP-PPT的难点。为此,先介绍了现有的LP-PPT供给方式,并分析各种供给方式的优缺点;以有机材料软木为渗透介质,研制了多段渗透式水推进剂供给系统;在理论分析供给原理的基础上,设计了两套供给量测量方案,并开展了相应的测量实验;将供给系统安装于PPT样机本体,开展了性能测试实验。结果表明三段结构供给系统供给量为21.76μg/s,满足LP-PPT样机的供给量需求。最终获得LP-PPT实验样机元冲量82.998μN·s,比冲194.6s,效率2.47%。

改进型机-电模型及脉冲等离子体推力器能量转化效率分析

最初机-电模型是针对电磁轨道炮的电磁加速过程提出的,脉冲等离子体推力器(pulsed plasma thruster,PPT)的工作原理也是通过电磁加速产生元冲量,因此机-电模型是PPT能量转化及元冲量产生机制的主要理论分析工具之一.但是作为PPT放电回路一部分的等离子体通道,其几何形态与目前机-电模型的电流片模型存在明显差异.PPT放电通道在离开推进剂表面向外喷出过程中多呈现弯曲形状,并不断变化,而非平直片状.结合PPT放电通道的实际形态,本文提出了PPT放电通道的二维形态电流片模型,建立基于二维电流片的改进型机-电模型.通过分析放电通道受力情况以及电磁加速过程,推导了PPT羽流的电磁加速动能与放电回路电感量随时间演变函数的关系.针对机-电模型电路方程,提出了分段拟合PPT放电波形获得回路电感量随时间演变函数的算法.形成了基于PPT放电波形分析得到羽流电磁加速动能的计算方案.将改进型机-电模型应用于PPT样机能量转化效率评价,通过分析PPT放电能量转化过程阐释了PPT机-电转化效率低的原因,提出了提高PPT机-电效率的一种探索思路.

毛细管脉冲等离子体推力器等离子羽流分团现象与等效速度测量

毛细管型脉冲等离子体推力器采用固态工质,电热加速机制,结构简单可靠,是一种具有应用价值的微纳卫星低功率电推进系统。本文建立电学和光学联合诊断系统,对毛细管脉冲等离子体推力器等离子体羽流演变过程进行了研究。由于放电电流振荡,推力器等离子体羽流存在二次建立过程。初始阶段等离子体羽流中主要包含带电粒子组分,二次建立阶段等离子体羽流主要包含中性成分。利用光电二极管阵列和窄带滤光片建立了飞行时间法,获得了不同放电电压、腔体内径和腔体长度下等离子体羽流分团的等效速度演变特性。结果表明,电热加速机制能够使带电组分和中性成分获得较为良好的加速效果(>10km/s)。在一定放电能量下,放电腔体长度小于25mm有利于获得较优性能参数。等离子体羽流等效速度结果能够较为准确地反映推力器输出比冲和效率参数变化规律,可作为推力器输出参数便捷有效的评估手段。

烧蚀Z箍缩脉冲等离子体推进系统实验研究

脉冲等离子体推力器(PPT)是最早用于空间任务的电推力器.烧蚀Z箍缩脉冲等离子体推力器(AZPPT)因其同轴前后式和阳极尖锥的特殊构型可以在较小体积和功率下实现较高的推功比和比冲.研究阳极尖锥长度、充电电压、放电次数对AZPPT性能的影响,试验表明随着充电电压的升高,推力器放电电流峰值、羽流等离子体电子温度、元冲量等参数升高,证明可通过改变电压实现推力的宽范围调节.阳极尖锥高度增加时,推力器的元冲量有少量下降,比冲有明显上升,相比没有尖锥时,比冲最高提升23.7%,总体效率最高提升7.3%,证明该结构在小功率AZPPT中的性能优化作用.基于以上结果,设计开发了一款1 U小型化、模块化推进系统.推进系统点火成功,5 J放电能量下元冲量达193.72μN·s,具有小功率、综合性能好、结构紧凑等特点.

微脉冲等离子体推力器放电过程和性能初探

针对平板烧蚀型微脉冲等离子体推力器(μ-PPT),开展了放电过程研究和性能表征。根据放电过程的电学测量和等离子体区域的发光行为分析,研究了μ-PPT的基本放电特点和放电形态演变。从空间分布看,μ-PPT放电空间可分为3个区域(阴极区、弧柱区和阳极区),随着放电间隙的减少,阳极区逐渐消失。从时间分布看,μ-PPT放电是由多个幅度不同的脉冲放电构成,放电回路和放电间隙的阻抗分布决定放电脉冲的数量,一定条件下可以发生单脉冲放电。根据μ-PPT等离子体区的电流片模型,估算了μ-PPT元冲量和推力等基本性能参数。结果表明,放电间隙和烧蚀量对μ-PPT性能参数有重要的影响,相同脉冲放电能量时,放电间隙越大,元冲量越大,烧蚀量也越大,导致比冲越小。放电时空形态是影响μ-PPT的元冲量和比冲的关键因素,因此,开展放电回路和放电间隙的阻抗优化研究是提高μ-PPT性能的有效途径。

脉冲等离子体推力器研究综述

简要介绍了脉冲等离子体推力器(PPT)的基本工作原理;回顾了国内外脉冲等离子推力器的发展历史;阐述了它的优势与面临的挑战;分析了需要研究的关键技术与发展方向。

毛细管型脉冲等离子体推力器研究现状综述

毛细管型脉冲等离子体推力器是一种高性能微型电推进系统。它利用放电电弧在腔体内部烧蚀管壁材料,材料消融产生的等离子体在压力梯度下加速喷射产生推力。毛细管型脉冲等离子体推力器具有结构简单,可靠性高,输出参数可调节范围宽的特点。与传统脉冲等离子体推力器相比,在低功率条件下,其推功比和总体效率有较大提升,在微小卫星领域具有较好的应用前景。毛细管型推力器研究包括推力器结构设计、关键部件及电源研制、工作机制研究、工作特性诊断、性能参数优化等,本文调研了日本、美国、德国等研究机构的相关研究成果,并对毛细管型脉冲等离子体推力器的研究现状进行评述。

脉冲等离子体推力器宏观特性数值研究

为了揭示脉冲等离子体推力器(Pulsed plasma thruster,PPT)的宏观工作特性,以传统"弹丸"模型为基础,提出了一种基于电磁和气动耦合加速机理的计算模型以及延时气化效应的评估方法,并与LES-6,LES-8/9 PPT进行模型验证和实验对比。结果表明,计算所获得的PPT脉冲烧蚀质量等宏观特性与实验数据吻合较好;脉冲烧蚀质量中仅有较少一部分(LES-6约10%,LES-8/9约28%)被离子化和电磁加速排出(约31.6km/s),其余绝大部分则是在主放电结束后以中性气体混和物低速排出(约460～680m/s);电磁加速对PPT元冲量的贡献是主要的(LES-6约77%,LES-8/9约86%);增强电磁加速,尤其是减少延时气化效应对PPT效率的提高是十分必要的。

脉冲等离子体推力器的性能分析

脉冲等离子体推力器(PPT)的性能受多方面因素的影响,包括放电参数以及推力器本体结构等。通过对脉冲等离子体推力器的工作原理和物理学模型的分析,研究了PPT的效率、比冲、推力、元冲量、推功比等性能参数与电极结构、电气参数的关系,并设计了实验,对效率、比冲、元冲量等与放电能量、电极间距的关系进行了验证。结果表明,效率、比冲、元冲量均随放电能量的提高而增大,元冲量在电极间距为50 mm时大于间距为30 mm、40 mm时的值。根据实验结果,提出了设计高性能PPT的一些优化条件,对PPT的设计有参考意义。

腔体结构参数对毛细管放电型脉冲等离子体推力器放电特性的影响

毛细管放电型脉冲等离子体推力器在微纳卫星在轨机动应用中具备良好的发展前景.本文系统研究了单次放电能量5 J条件下,不同毛细管腔体尺寸参数对推力器能量沉积特性、烧蚀特性、输出推力参数和等离子体羽流参数的影响规律.实验结果表明,增大毛细管腔体内径会显著降低放电电流密度,减小沉积能量和等效功率;增大腔体长度有助于提升能量传递效率.腔体结构尺寸变化影响单位面积沉积能量和管壁温度,进而改变烧蚀特性.当毛细管内径从1 mm增加至3 mm时烧蚀质量显著下降,随着腔体内径的进一步增大,等效烧蚀质量近似不变;烧蚀质量随毛细管长度的增加持续增大,但单位面积烧蚀质量不断下降.推力器元冲量取决于烧蚀质量与其等效速度,烧蚀特性的差异进一步影响腔体内等离子体密度和等效压强,影响等离子体电热加速过程.毛细管腔体内径和长度的不断增加,使得加速过程滞后于放电和烧蚀过程,作用于加速过程的电弧沉积能量比例降低,降低推力器等离子体喷射速度,元冲量减小,比冲降低,总体效率下降.结合总体效率传递模型分析,毛细管内径对推力器效率的影响主要体现在能量传递效率方面,毛细管长度变化主要影响等离子体电热加速效率,优化推力器总体效率需要从能量沉积效率和加速效率两方面入手.

脉冲等离子体推力器放电波形设计评估仿真研究

运用磁流体动力学的方法,对脉冲等离子体推力器推力室工作过程开展三维双温MHD数值仿真,并开展对推力室的工作机理的分析研究。通过该模型计算得到的推进剂烧蚀质量和元冲量与实验结果相符,同时针对不同初始电压、电容以及两种特征波形的情况进行评估,为推力器的放电波形设计提供指导依据。结果显示在推力器波形设计的初期,是采用电流高变化率低能量水平,还是采用电流低变化率高能量水平,需要结合实际,进行优化评估。

脉冲等离子体推力器推进剂烧蚀传热计算

运用磁流体动力学的方法,建立脉冲等离子体推力器工作过程模型,展开三维仿真研究,对推进剂的烧蚀传热过程进行分析。通过该模型计算得到的推进剂烧蚀质量和元冲量能够反映出实验结果的大体趋势,同时针对不同电容以及两种不同推力室构型的情况进行了评估。结果显示,推进剂的温度变化波形反映着放电波形的变化波形,影响着推力室等离子体的流动,良好的推进剂表面温度分布更有助于推进剂的喷射过程。

脉冲等离子体推力器火花塞的性能实验

点火回路引燃脉冲等离子体推力器的主电容放电,是推力器的关键部分之一,其性能直接影响到推力器运行的成败。实验设计了脉冲等离子体推力器的点火电路和同轴型、钩型、平行电极型三种结构的火花塞。在此基础上,获得了三种火花塞的充电电压、放电电流及点火情况。结果显示,平行电极型的点火效果最佳。最后分析了三种火花塞的点火机理,获得了较好放电性能的火花塞结构形式,为脉冲等离子体推力器的稳定运行提供了重要的依据。

基于克努森模型的脉冲等离子体推力器烧蚀边界层数值研究

为了准确描述脉冲等离子体推力器(Pulsed Plasma Thruster,PPT)烧蚀工作过程与流场入口的本质关系,通过克努森双峰速度分析函数对烧蚀边界层以及内部返流作用机制进行数值分析研究。针对K-B模型在PPT烧蚀研究中的缺陷,通过化学反应动力学仿真获取烧蚀粒子产物,并由内部自由度修正K-B模型中能量守恒形式,分析热化反应所造成的烧蚀多组分及其质量分布特性对烧蚀内外层热力学状态和内部流动的影响,进一步发展适用于PPT烧蚀特性的克努森模型。根据动量守恒确立流动非平衡层的物理边界关系,并针对平行板型PPT的几何尺寸和电参数,实例评估了影响"滞后烧蚀"速率大小和分布范围的流体层等离子体物性参数和状态条件。文中的研究方法为PPT烧蚀与等离子流动耦合特性的研究提供了理论参考。

脉冲等离子体推力器羽流的粒子模拟

目前微小卫星正在积极地发展中,脉冲等离子体推力器是其推进系统的一个重要发展方向,为了能够将PPT成功地运用于空间,需对其羽流进行研究。将DSMC(Direct Simulation Monte-Carlo)/PIC(Particle in Cell)流体混合算法与一维MHD放电模型相结合,一体化模拟NASA Glenn PPT羽流,对不同出口偏转角的羽流场进行模拟,并与实验结果进行了比较。计算结果显示引入出口速度的偏转角提高了模型的羽流扩散能力,羽流的扩散角是影响羽流的一个主要因素。

脉冲等离子体推力器等效电路模型分析

脉冲等离子体推力器(PPT)的放电电流与推力器性能有密切关系。为了分析影响脉冲等离子体推力器放电电流的因素,建立了推力器放电过程中的等效电路模型,分析了等效电路中电感及电阻的分量,并对简化的等效电路模型进行解耦,得到了放电电流的3种状态。通过实验以及方程解耦,得到了实际电路中的等效电感及等效电阻值,研究了等效电感及电阻中影响推力器性能的因素。结果表明,推力器的间距和放电能量改变了等离子体的电感及电阻值,从而改变了放电电流曲线,影响了推力器的电磁加速性能。设计PPT时,应尽量减小电极的寄生电感和电阻,采用内感和内阻较小的放电电容,获得较高的PPT效率。

脉冲等离子体推力器微推力测试技术的述评

对脉冲等离子体推力器(PPT)的微推力测试技术,并对几种典型的进行单脉冲冲量、平均推力等参数测量的推力测试系统和手段进行了描述和分析,对PPT微推力测试过程的细节进行了初步探讨,可为PPT微推力测试和研究提供有益参考。

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。

脉冲等离子体推力器电磁辐射干扰诊断

脉冲等离子体推力器(PPT)是一种PPT以脉冲方式工作的适用于微小卫星姿轨控系统的空间电磁推进系统,为了研究其在工作过程中因瞬间高压放电而产生的严重电磁干扰(EMI),论述了PPT的EMI产生机理,分析了PPT电磁辐射干扰感应电压频谱;通过一种简易短单极杆状天线和霍尔探针对PPT电磁辐射干扰进行了诊断,分别测量了PPT点火电路和主放电电路EMI信号电磁场分布,研究PPT电磁辐射干扰的分布规律;并结合地面试验的实际,提出了相应的的电磁兼容方案。研究表明:PPT辐射EMI是一种低频非周期性电磁脉冲,在其作用范围内,如不采取措施,会对周边电子设备造成损害。

感应式脉冲等离子体推力器技术综述

综合文献及作者研究实践,介绍了感应式脉冲等离子体推力器的原理和特点.从国外研究机构与项目、推力器组件和系统集成实验、工作机理数值仿真等方面,总结和评述了达到的技术状态与认识.最后梳理了面临的技术挑战,提出了可能的解决途径.