脉冲等离子体推力器设计与性能的理论与实验研究

论文摘要

在各种电推进系统中,脉冲等离子体推力器(Pulsed Plasma Thrusters,PPTs)作为一种极有价值的新型空间电磁推力器,具有应用功率范围宽、平均功率小、结构简单、控制方便、响应快速、比冲高、推力小、容易集成等特点,能够广泛应用于微小卫星的姿轨控推进系统,是目前国际上电推进研究的热点之一。本文主要通过理论分析和地面实验研究,对PPT的设计和性能等进行了系统的研究,提出和论证了PPT在微小卫星上的应用方法,探寻了PPT实验样机的设计、性能测量和提升的途经,采用多种实验手段对PPT工作过程和工作机理进行了深入地研究。系统分析和论证了PPT执行微小卫星多种姿轨控推进任务的可行性。研究表明,PPT对于微小卫星的摄动力补偿、东西位置保持、星座相位调整和姿态控制等推进任务具有良好的适用性,且对于不同的推进任务,存在一个与卫星结构参数和PPT推进性能有关的理想速度增量和理想比冲范围。研制了一种采用Teflon固体推进剂尾部馈送式的平行板PPT。分析对比了不同储能单元和点火启动设备的应用特性,改进了放电电极、传输导线、推进剂供应装置以及其他结构件,论证了PPT电源系统的选型和设计方案。所设计的PPT,能够满足地面实验研究的需要,主要性能指标与国外同类PPT相当。设计了PPT放电电流测量系统,通过对放电电流和放电电压等参数的测量,研究了PPT的放电特性,为采用理论和经验公式对PPT推进性能进行计算奠定了基础。改进了钟摆式天平微推力测量方法,结合微量天平对PPT推进剂平均脉冲烧蚀质量的测量,获得了元冲量、比冲和工作效率等PPT推进性能参数,且测量结果与经验公式计算结果较为一致。此外,还提出了一种基于电容器退化失效模型的PPT能量存储单元性能可靠性分析模型,并采用该模型对本文设计的PPT进行了寿命预估。在对PPT点火、能量存储单元充电和放电,以及工作过程中,放电通道内电磁场的变化等进行研究时发现:点火启动影响到PPT的工作可靠性;充电和放电回路中,电阻、电感和电容量等电参数,关系着PPT能量的传递和损耗;放电通道及其邻近区域的电磁场分布及其变化情况,则直接决定了PPT等离子体的形成、加速和推力的产生。此外,通过对PPT工作时,各组成部件表面温度的测量和分析,从热损耗的角度分析了PPT效率低下的原因,探究了PPT的热量损失机理,进一步分析和计算了PPT的能量分配和效率组成。通过对PPT工作过程进行高速摄影,观测了放电通道内等离子体的产生、加速和扩散过程;采用质谱分析的方法,对PPT的羽流成分进行了研究,从分子组成的角度分析了PPT推进剂烧蚀电离、溅射腐蚀和积碳污染的机理;对PPT工作过程中产生的电磁干扰进行了时域和频域的诊断和分析,提出了相应的电磁兼容措施。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 基本概念
• 1.2.1 电推进
• 1.2.2 脉冲等离子体推力器
• 1.3 国内外研究和应用综述
• 1.3.1 任务论证和需求分析
• 1.3.2 推力器设计
• 1.3.3 推进性能评估
• 1.3.4 推力器性能影响因素和性能提高措施研究
• 1.3.5 等离子体参数测量方法和羽流特性研究
• 1.4 研究重点和发展趋势
• 1.5 本文研究内容
• 第二章 脉冲等离子体推力器在微小卫星上的应用分析
• 2.1 引言
• 2.2 星上布局设计
• 2.3 轨道控制
• 2.3.1 轨道控制精度
• 2.3.2 轨道转移
• 2.3.3 轨道保持
• 2.4 姿态控制
• 2.4.1 姿态控制精度
• 2.4.2 精确指向
• 2.4.3 回转机动
• 2.5 理想速度增量和最佳比冲设计
• 2.6 小结
• 第三章 脉冲等离子体推力器实验样机设计
• 3.1 引言
• 3.2 总体设计
• 3.3 储能电容器
• 3.3.1 储能电容器选型
• 3.3.2 油浸纸介和聚酯薄膜电容器阵列性能比较
• 3.3.3 聚丙烯膜和油浸纸介电容器性能比较
• 3.3.4 不同电容量油浸纸介电容器性能比较
• 3.3.5 本文储能电容器设计指标
• 3.4 点火系统
• 3.4.1 点火系统元器件选型
• 3.4.2 点火电路
• 3.4.3 火花塞
• 3.5 能量传输和结构部件
• 3.5.1 电极
• 3.5.2 传输线
• 3.5.3 推进剂供应装置
• 3.5.4 绝缘和紧固装置
• 3.6 电源系统
• 3.7 小结
• 第四章 脉冲等离子体推力器性能分析与测量
• 4.1 引言
• 4.2 基本关系式
• 4.3 放电电流测量
• 4.3.1 测量原理和设计准则
• 4.3.2 实验系统设计
• 4.3.3 系统校验
• 4.3.4 测量结果分析
• 4.4 烧蚀质量测量
• 4.5 推进性能估算
• 4.6 推进性能测量
• 4.6.1 测量原理
• 4.6.2 校验和标定
• 4.6.3 元冲量测量
• 4.6.4 平均等效推力测量
• 4.6.5 误差分析与性能比较
• 4.7 储能电容器性能可靠性及寿命预估
• 4.7.1 失效机理及性能可靠性
• 4.7.2 电容器的可靠性与寿命预估
• 4.8 小结
• 第五章 脉冲等离子体推力器工作性能影响因素分析
• 5.1 引言
• 5.2 点火启动过程
• 5.2.1 点火电路对PPT性能的影响
• 5.2.2 点火能量和火花塞结构对PPT性能的影响
• 5.3 充放电过程
• 5.3.1 充电过程对PPT性能的影响
• 5.3.2 放电过程对PPT性能的影响
• 5.4 电磁场分布
• 5.4.1 放电通道内磁场分布测量
• 5.4.2 电磁场分布仿真计算
• 5.4.3 电磁场分布对PPT性能的影响
• 5.5 温度分布与热量传递
• 5.5.1 推力器组件表面温度测量
• 5.5.2 推进剂表面温度测量
• 5.5.3 测量结果分析
• 5.6 能量分配和效率组成
• 5.6.1 能量分配和效率组成分析
• 5.6.2 工作效率组成计算
• 5.7 小结
• 第六章 脉冲等离子体推力器羽流特性及其对卫星的影响研究
• 6.1 引言
• 6.2 PPT工作过程光学摄影
• 6.2.1 实验过程与结果
• 6.2.2 工作过程分析
• 6.3 羽流成分质谱分析
• 6.4 溅射腐蚀和积碳污染
• 6.5 电磁干扰诊断
• 6.5.1 电磁干扰的来源与分类
• 6.5.2 传导干扰
• 6.5.3 辐射干扰
• 6.5.4 电磁干扰诊断结果分析和电磁兼容设计
• 6.6 小结
• 结束语
• 本文的主要工作
• 本文主要创新点
• 进一步研究建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 电容器恒压和恒流充电效率比较
• 附录B 放电回路RLC方程求解