固体烧蚀型脉冲等离子体推力器工作特性研究

论文摘要

作为最早得到空间应用的一种电推进系统,脉冲等离子体推力器具有比冲高、功耗低、结构简单、控制方便等优点,可以广泛应用于微小卫星的姿态控制、位置保持和轨道提升等任务,是目前微小卫星推进技术研究的热点和重要方向之一。为了提高推力器的工作性能,减小羽流污染效应,本文以采用聚四氟乙烯作推进剂的固体烧蚀型脉冲等离子体推力器（Ablation-fed Pulsed Plasma Thruster,APPT）为研究对象,采用理论分析、数值模拟和实验研究手段对其工作特性进行了系统的研究。建立了包括放电电路模型、两相烧蚀模型、磁流体流动模型、热化学与输运模型在内的APPT工作过程的一系列模型,研究了相应的数值计算方法,发展了工作过程的数值模拟程序,在算例验证的基础上对APPT的工作过程进行了数值研究。分析推进剂的烧蚀过程发现,推进剂烧蚀过程与推力器放电过程之间的匹配失衡以及放电电流的反复振荡降低了推力效率,将烧蚀推进剂和加速等离子体的能量分开可以大幅提高推力器性能,在放电后期迅速关断放电电流和对推进剂进行冷却有助于减小因粒子发射带来的推进剂损失,从而提高推力效率。对推力器内部流场和工作性能的数值研究表明,放电初期等离子体在很强的电磁力作用下高速喷出推力器,产生的冲量占元冲量的大部分,而到放电后期等离子体主要受气动力的作用,运动速度很慢,降低了APPT的推力效率。考察了Hall效应对APPT放电通道内等离子体流动过程的影响,发现Hall效应会导致等离子体偏向阴极一侧喷出,产生侧向推力并造成推力损失。讨论了APPT放电电流的阻尼特性,揭示出通过减少回路电感以减小电流振荡或者改进放电电路使放电呈非周期放电的形式可以延长电容器寿命,提高能量传输效率并增强电磁加速作用。通过数值模拟比较了多种放电电流作用下的推力性能,结果表明应用整流硅堆可以在一定程度上改善推力器性能,采用PFN放电电路能够使工作性能得到较大幅度的提升。考虑磁场对等离子体羽流的影响,结合DSMC和PIC方法建立了粒子-流体混合模拟模型,以磁流体力学模拟结果提供羽流场的入口条件对APPT羽流开展了三维数值模拟。研究表明,羽流膨胀过程中各组分的动力学行为差异明显;放电电流振荡会导致产生低速离子群,并会加重离子回流;电磁加速是羽流等离子体主要的加速机制,磁场对推力器羽流的流向加速和反向回流具有重要作用;电极横向方向上的羽流污染比展向方向的严重。研制了一种平行电极型尾部馈送式APPT,改进了微推力测量方法,结合烧蚀质量和放电参数测量对推力器的推力性能进行了评估,结果表明提高电容器的初始储能可以有效提升推力器的工作性能。利用光纤光谱仪对APPT的等离子体发射光谱进行了诊断,发现等离子体中包含+2++2C、C、C、F、F等组分。使用超高速摄影仪和带通滤光片拍摄了APPT的放电过程,结果显示出推力器工作时有大量等离子体喷向阴极一侧,放电过程中离子以高速很快喷出放电通道,剩下大量中性粒子从推进剂表面的位置缓慢向下游运动,导致APPT的推力效率较低。研制了Langmuir三探针诊断系统,开发了基于Labview的数据处理软件,对APPT羽流进行了探针诊断。研究表明,羽流场中的电子数密度和电子温度随时间的变化呈现出双峰甚至三峰结构;电子数密度和电子温度随着到推进剂表面距离的增加和偏离电极中心线角度的增大总体上呈减小趋势;等离子体在与电极极板垂直平面内偏向阴极一侧分布,而在平行平面内呈现出较为对称的分布特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 脉冲等离子体推力器概述
• 1.2.1 结构与分类
• 1.2.2 工作原理与特点
• 1.2.3 基本性能参数
• 1.2.4 发展历史与应用现状
• 1.3 APPT工作特性研究进展
• 1.3.1 工作性能研究
• 1.3.2 羽流特性研究
• 1.3.3 研究重点与发展趋势
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 脉冲等离子体推力器工作过程建模与数值计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 模型的基本假设
• 2.2.1 连续介质假设
• 2.2.2 局域热力学平衡假设
• 2.2.3 等离子体准中性假设
• 2.3 物理模型
• 2.3.1 放电电路模型
• 2.3.2 两相烧蚀模型
• 2.3.3 磁流体控制方程组
• 2.3.4 热化学模型
• 2.3.5 输运系数
• 2.4 数值计算方法
• 2.4.1 坐标变换
• 2.4.2 Jacobi矩阵与特征值
• 2.4.3 时间离散方法
• 2.4.4 空间离散方法
• 2.4.5 边界条件
• 2.5 算例验证
• 2.5.1 PTFE烧蚀算例
• 2.5.2 磁流体流动算例
• 2.6 小结
• 第三章 脉冲等离子体推力器工作过程的数值模拟与分析
• 3.1 引言
• 3.2 计算条件
• 3.3 推进剂烧蚀过程分析
• 3.3.1 推进剂温度变化
• 3.3.2 烧蚀速率对推力效率的影响
• 3.3.3 无定形体属性与推力效率的关系
• 3.4 放电通道内等离子体流动过程的分析
• 3.4.1 流场结构
• 3.4.2 组分属性变化
• 3.4.3 推力作用过程与工作性能分析
• 3.4.4 Hall效应对等离子体运动的影响
• 3.5 放电电流对推力器性能的影响
• 3.5.1 电流振荡特性分析
• 3.5.2 非周期放电波形评估
• 3.6 小结
• 第四章 脉冲等离子体推力器羽流模型与数值计算方法
• 4.1 引言
• 4.2 DSMC方法
• 4.2.1 DSMC方法概述
• 4.2.2 DSMC方法的计算流程
• 4.2.3 碰撞对抽样
• 4.2.4 碰撞的力学机理与散射模型
• 4.3 PIC方法
• 4.3.1 PIC方法概述
• 4.3.2 PIC方法的计算流程
• 4.3.3 有限大小粒子概念
• 4.4 APPT羽流模型与算法
• 4.4.1 流体电子模型
• 4.4.2 离子运动模型
• 4.4.3 碰撞截面的计算
• 4.4.4 粒子-流体混合算法
• 4.5 小结
• 第五章 脉冲等离子体推力器羽流的三维数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 计算条件
• 5.2.1 计算区域与边界处理
• 5.2.2 网格划分与参数设置
• 5.3 计算结果验证
• 5.4 羽流流场分析
• 5.4.1 入口质量流率
• 5.4.2 粒子数密度分布
• 5.4.3 粒子速度分布与采样
• 5.4.4 温度分布
• 5.4.5 磁场作用分析
• 5.5 羽流污染特性分析
• 5.5.1 羽流发散角
• 5.5.2 回流特性
• 5.6 小结
• 第六章 脉冲等离子体推力器工作特性实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 地面试验系统
• 6.2.1 真空系统
• 6.2.2 APPT系统
• 6.2.3 测量诊断系统
• 6.3 工作性能测量与评估
• 6.3.1 推力测量原理与方法
• 6.3.2 推力性能评估
• 6.4 工作过程光学诊断
• 6.4.1 等离子体发射光谱分析
• 6.4.2 放电过程超高速摄影
• 6.5 羽流特性探针诊断
• 6.5.1 Langmuir三探针诊断原理
• 6.5.2 探针诊断系统
• 6.5.3 数据采集与处理
• 6.5.4 诊断结果与分析
• 6.6 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 主要工作与结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 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及参加科研项目情况
• 附录A 关键矩阵的具体形式与推导
• 附录B 聚四氟乙烯属性
• 附录C 两个球形均匀带电粒子之间Coulomb力的推导