低功率水电弧加热发动机的稳定性研究

论文摘要

电弧加热发动机以较高的推力/功率比、推力密度、中高的比冲、良好的系统继承性和可靠性等特点,已经成为当前国际研究和应用的热点。以水作为推进剂的电弧加热发动机,在深空探测和载人航天中具有独特的优势。目前对水电弧加热的研究过程中,发现水电弧加热发动机羽流和弧电压存在强烈的脉动,不能稳定工作。解决水电弧加热发动机的不稳定性,对于水电弧加热发动机的发展和应用具有重要意义。本文的研究发现导致水电弧加热发动机羽流和电压脉动的主要原因为推进剂流量供给的脉动,而供给流量的脉动是由于水在管内汽化的脉动引起的。本文提出了毛细管束稳定汽化原理,并研制了毛细管束汽化系统,通过此系统,实现了水在管内的稳定汽化。设计了具有覆盖阳极的环形空腔的水电弧加热发动机。通过环形空腔,可以进一步减小水蒸汽流量的不稳定性,同时实现了再生冷却设计。采用氩为推进剂,对电弧加热发动机进行性能研究,并将新发动机的比冲和效率与原电弧加热发动机进行对比。新发动机的比冲由原来的100-135 s提高到148-166 s;效率由21%-23%提高到32%-53%。实验结果证明这种再生冷却设计能大大提高低功率电弧加热发动机效率。以水为推进剂进行了性能实验。实验结果表明水电弧加热发动机在实验工况下内能够稳定的工作。在典型的工作参数下（即水流量为25mg/s,电流为7A）,发动机的功率为588W,推力为124mN,比冲为506s,效率为52.1%。比冲和效率均略高于国际上同等功率下肼电弧加热发动机。为明确谱线强度法所测得真空中电弧加热发动机羽流温度的物理意义,从统计热力学的角度分析了电子温度和激发温度的不同。明确的指出谱线强度法所测得的是重粒子内部电子的激发温度,而不是自由电子温度。采用谱线强度法测量了羽流的表观激发温度,同时采用Langmuir探针法测量羽流的电子温度,两种温度之间的巨大差异证实了谱线强度法所测得的温度是激发温度而不是自由电子温度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要内容
• 1.4 本文的主要创新点
• 第2章 水电弧加热发动机不稳定性分析
• 2.1 水电弧加热发动机的不稳定性
• 2.2 不稳定性的初步分析
• 2.3 消除不稳定性的途径
• 第3章 稳定供给系统设计
• 3.1 大容积汽化器或缓冲器设计
• 3.2 管内汽化稳定性研究
• 3.3 毛细管束汽化
• 3.4 水的汽化方式设计
• 第4章 稳定的电弧加热发动机设计
• 4.1 设计中的关键问题
• 4.2 电弧加热发动机的设计
• 第5章 电弧加热发动机的性能研究
• 5.1 电弧加热发动机实验工作台
• 5.2 氩气的性能实验
• 5.3 再生冷却设计对发动机效率的影响
• 5.4 以水为推进剂的性能实验
• 第6章 谱线强度法所测得温度的物理意义
• 6.1 羽流光谱诊断的原理、系统及方法
• 6.2 谱线强度法所测得温度的物理意义
• 第7章 全文研究结论和展望
• 7.1 全文研究结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 声明
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果