学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

脉冲等离子体推力器工作过程理论和实验研究

作　者: 杨乐
导　师: 周进
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 电推进脉冲等离子体推力器实验装置和设备工作过程测量数值模拟磁流体动力学
分类号: V439
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 269次
引　用: 9次
阅　读: 论文下载

内容摘要

电推进装置以其优越的性能广泛应用于空间飞行任务。脉冲等离子体推力器(Pulsed Plasma Thruster,PPT)是一种比冲高、功耗低、结构简单、重量轻的电磁推力器,可应用于微小卫星的位置保持、姿态控制、编队飞行等任务,成为当前国际上电推进研究的热点之一。通过理论分析、实验研究和数值模拟等多种手段,本文系统研究了平行板电极固体推进剂PPT的工作过程,分析了影响推力器性能的因素,探讨了提高推力器性能的途径。建立了PPT实验系统,包括模拟航天器飞行条件的真空系统、PPT微推力测量系统以及放电参数测量系统等。详细分析了各子系统的技术要求、指标与特性。采用电磁灭甲结构研制了微推力测量装置,解决了PPT研究中推力测量的关键技术问题。采用机电模型对PPT的性能参数进行了预估,针对不同电参数(电容器容量、初始电压、电路电阻、电子温度等)和结构参数(电极间距、电极宽度及推进剂烧蚀剖面高宽比)进行了计算分析,研究了这些参数的变化对推力器性能的影响。研制了一种平行板电极尾部馈送型PPT,在不同工况下对推力器进行了点火实验,测量获得了放电电流和电压波形、脉冲平均烧蚀质量、平均推力等工作参数,计算得到了不同工况下元冲量、比冲、推力效率等性能参数,分析了不同电参数和结构参数对推力器性能的影响。实验研究表明:在相同的放电能量情况下,采用小容量电容器、提高电容器初始电压可以有效提高推力器元冲量、比冲和推力效率;在合理的范围内增加电极长度可以提高推力器元冲量、比冲和推力效率;在相同的放电能量下,降低推进剂烧蚀剖面面积有利于提高比冲和推力效率;对于相同的烧蚀剖面面积,提高推进剂的高宽比,元冲量、比冲和效率都会提高。以局部热力学平衡和等离子体宏观电中性为基本假设,建立了基于磁流体动力学(Magnetohydrodynamic,MHD)的PPT工作过程一维非定常数学模型。模型描述了PPT内部多种重要的物理机制及其相互间的耦合作用,反映了对流和扩散产生的物质、能量和动量的输运、洛伦兹力的作用及欧姆加热、磁场扩散等物理过程。对理想MHD方程进行了特征分析,推导了其特征矩阵,采用二阶MacCormack显式格式对带欧姆加热源项的MHD方程组进行了求解。数值计算表明:电离气体主要来自于脉冲前期,经洛伦兹力加速后获得高的喷射速度,是推力的主要来源;在一次脉冲周期内,推力器放电结束后,推进剂烧蚀表面温度较长时间仍处在Teflon分解温度之上,导致推进剂的滞后蒸发,是PPT推进剂的利用效率及推力效率低的主要原因。

全文目录

摘要  12-14
ABSTRACT  14-16
第一章绪论  16-40
  1.1 研究背景与意义  16-17
  1.2 国内外研究发展综述  17-38
    1.2.1 电推进研究概述  17-20
    1.2.2 PPT研究历史与现状  20-27
    1.2.3 PPT工作过程研究概况  27-38
    1.2.4 进一步研究方向  38
  1.3 本文研究内容  38-40
第二章实验装置与设备  40-63
  2.1 引言  40
  2.2 真空系统  40-50
    2.2.1 设计准则与指标  41-42
    2.2.2 真空机组  42-45
    2.2.3 真空舱  45-47
    2.2.4 低温吸附系统  47-48
    2.2.5 电控系统  48-50
  2.3 微推力测量系统  50-57
    2.3.1 技术难题  50-51
    2.3.2 基本组成  51-53
    2.3.3 工作原理  53-54
    2.3.4 装置调试  54-55
    2.3.5 静态标定  55
    2.3.6 推力测量  55-57
  2.4 电参数测量系统  57-62
    2.4.1 放电电流测量  57-61
    2.4.2 放电电压测量  61-62
  2.5 小结  62-63
第三章脉冲等离子体推力器性能预估  63-83
  3.1 引言  63
  3.2 基本性能关系式  63-64
  3.3 基于电流片运动的机电模型  64-69
    3.3.1 自感磁场强度  66
    3.3.2 电感模型  66-67
    3.3.3 动力学模型  67-68
    3.3.4 等离子体电阻模型  68
    3.3.5 电路模型  68-69
    3.3.6 模型求解  69
  3.4 模型验证  69-71
  3.5 计算结果与分析  71-82
    3.5.1 电参数变化对推力器性能影响分析  71-78
    3.5.2 推力室构型变化对推力器性能影响分析  78-82
  3.6 小结  82-83
第四章脉冲等离子体推力器实验研究  83-102
  4.1 引言  83
  4.2 推力器设计  83-90
    4.2.1 推力器本体  84-86
    4.2.2 点火系统  86-89
    4.2.3 高压电源  89-90
  4.3 参数测量方法和实验步骤  90-93
    4.3.1 放电参数测量  90-91
    4.3.2 烧蚀质量测量  91-92
    4.3.3 推力测量  92
    4.3.4 实验步骤  92-93
  4.4 实验结果及性能分析  93-101
    4.4.1 电容器能量对推力器性能的影响  93-97
    4.4.2 几何构型对推力器性能的影响  97-101
  4.5 小结  101-102
第五章基于磁流体动力学的脉冲等离子体推力器工作过程数值模拟  102-127
  5.1 引言  102
  5.2 物理模型  102-109
    5.2.1 电路模型  102-103
    5.2.2 烧蚀模型  103-105
    5.2.3 等离子体流动模型  105-109
  5.3 理想MHD方程组数值求解方法  109-117
    5.3.1 理想MHD方程组特征矩阵推导  109-113
    5.3.2 MacCormack格式  113-115
    5.3.3 算法验证  115-117
  5.4 PPT工作过程数值模拟  117-121
    5.4.1 初始条件  117-118
    5.4.2 边界条件  118-119
    5.4.3 模拟方案  119-121
  5.5 结果与分析  121-125
  5.6 小结  125-127
结束语  127-130
致谢  130-132
参考文献  132-145
作者在学期间取得的学术成果  145-146
附录A:(?)的推导过程  146-148
附录B:Teflon属性  148-149

脉冲等离子体推力器工作过程理论和实验研究

内容摘要

全文目录

相似论文