脉冲等离子体推力器工作过程仿真研究

论文摘要

本文采用理论分析、数值仿真等方法,对固体烧蚀平行板电极型脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster,PPT）的工作过程进行了系统的研究,以确定系统参数对推力器性能的影响,探求提高推力器性能的途径。首先,在传统的描述PPT工作过程的机电模型的基础上,考虑了气动力影响以研究烧蚀质量对推力器性能的影响;建立了两种改进的模型,一种模型采用了修正的电感模型,克服了传统机电模型过高地估计电感值的缺点;另一种模型则采用了Burton提出的考虑了推力器通道实际几何尺寸的电感模型。详细推导了PPT能量转换关系,并对限制系统效率提高的影响因素进行了分析。其次,基于所建立的模型,利用MATLAB软件的GUI功能开发了脉冲等离子体推力器仿真软件,通过将不同模型的仿真结果与LES-6 PPT实验结果及MACH2仿真结果进行对比,分析了各模型的优缺点。仿真研究了PPT系统电参数（电容容量、初始电压、电感、电阻）、构型参数（极板间距、宽度、厚度、长度）及烧蚀质量对推力器性能的影响。最后,基于推力器系统性能关系式及一些实验关联式阐述了PPT的设计方法流程,结合利用PPT仿真软件为设计出满足特定性能要求的推力器,开展推力器的设计研究提供基础。本文针对PPT进行的工作过程的建模和仿真以及设计研究工作,为PPT的应用研究提供了一定的理论支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 PPT研究进展
• 1.2.1 PPT的结构及分类
• 1.2.2 PPT工作原理及特点
• 1.2.3 PPT应用研究及发展
• 1.2.4 PPT数值模拟研究
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 脉冲等离子体推力器工作过程数学模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 机电模型
• 2.2.1 电路模型
• 2.2.2 磁感强度模型
• 2.2.3 负载电感模型
• 2.2.4 运动控制方程
• 2.2.5 等离子体电阻模型
• 2.2.6 PPT机电模型
• 2.3 PPT能量转换关系
• 2.3.1 传输线损失的能量
• 2.3.2 极板鞘层损失的能量
• 2.3.3 推力器通道内能量
• 2.3.4 系统能量转换效率
• 2.4 小结
• 第三章 脉冲等离子体推力器仿真软件
• 3.1 引言
• 3.2 数学实现
• 3.2.1 模型的状态方程
• 3.2.2 微分方程求解器的选定
• 3.3 模型验证
• 3.3.1 原始机电模型仿真结果及分析
• 3.3.2 修正机电模型及考虑极板厚度机电模型仿真结果与分析
• 3.4 PPT仿真软件界面及功能
• 3.5 小结
• 第四章 脉冲等离子体推力器工作过程数值仿真与性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 系统电参数变化对推力器性能影响分析
• 4.2.1 初始能量对推力器性能的影响
• 4.2.2 相同初始能量，不同电容器容量和初始电压对推力器性能的影响
• 4.2.3 回路电感对推力器性能的影响
• 4.2.4 回路电阻对推力器性能的影响
• 4.3 推力室构型变化对推力器性能影响分析
• 4.3.1 极板间距对推力器性能的影响
• 4.3.2 极板宽度对推力器性能的影响
• 4.3.3 保持极板间宽比不变，不同极板宽度、间距对系统性能的影响
• 4.3.4 极板厚度对推力器性能的影响
• 4.3.5 极板长度对推力器性能的影响
• 4.4 单位脉冲烧蚀质量对推力器性能的影响
• 4.4.1 单位脉冲烧蚀质量改变，电离度不变
• 4.4.2 单位脉冲烧蚀质量不变，电离度改变
• 4.5 小结
• 第五章 脉冲等离子体推力器设计方案
• 5.1 引言
• 5.2 PPT系统设计基础
• 5.3 PPT设计软件界面及设计流程
• 5.4 PPT设计与仿真分析
• 5.5 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 存在的问题分析及下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• B的确定过程'>附录A: 修正系数f_B的确定过程