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《西北工业大学》 2002年
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微波等离子推力器真空实验研究与卫星应用探索

韩先伟  
【摘要】: 电推进(EP)具有比冲高、寿命长、控制精度高等优点,可完成多种空间任务。经过五十多年的研究,EP在航天器上的应用已越来越广泛。微波等离子推力器(MPT)是一种电热型推力器。本文在MPT地面原理样机的基础上,进行了MPT真空实验系统建设、真空试验和卫星应用探索。具体叙述如下: 1.完成了MPT真空实验系统的设计、加工、安装和调试。系统包括真空子系统、虚拟仪器测控子系统、小推力测量子系统、推进剂贮存供应子系统和MPT实验样机。本人主持完成了真空子系统建设,参与了其它子系统建设,完成了全系统调试。真空实验系统工作稳定,工作真空度为1.0Pa~10.0Pa,基本实现了MPT真空实验的自动化、信息化和数字化,为MPT真空实验研究提供了基础。 2.在MPT地面实验的基础上,在国内首次进行了MPT在真空条件下的启动、稳定工作特性研究,并进行了性能估算。研究了影响MPT启动和稳定工作的主要因素和规律。实验研究表明,在真空环境下,对于推进剂工质Ar、He、N_2、H_2和空气启动可靠。Ar最容易启动,N_2次之,He最难;微波功率越大,越容易启动;并且在一定真空度范围内最容易启动。Ar最佳工作比功率为4.0MJ/kg,He为30MJ/kg。在设计状态下,对于He,100W MPT的比冲为5758.3m/s,效率为55.4%;1kW MPT的比冲为6107.6m/s,效率为57.1%。对于Ar和He,在长时间稳定工作过程中各项参数(P_(in)、q_m、F、p_(res))稳定。 3.通过GEO卫星轨道动力学分析,建立了卫星总体和各子系统的数学模型。采用遗传算法(GA)对MPT用于GEO的OT和NSSK进行了系统和任务优化计算。优化方法具有通用性,对使用EP的GEO卫星的OT和NSSK也能应用。这种探索在国内为首次,对MPT进行这样详细的探索,在国外资料中也未发现。优化计算表明,当采用4台1000W MPT实施OT,4台100W MPT完成NSSK,推力弧段η=60°时,变轨时间为165d,1kW MPT累计工作1322h,有效载荷可增加86%,即转发器的个数可由24个增加到44个,增加83%。 通过研究表明,MPT具有比冲适中、效率高、寿命长、羽流污染小、结构简单和重量轻的特点。与其它EP相比,MPT实现GEO卫星的OT和NSSK具有自身优势,是一种具有竞争潜力的电推进之一。同时,MPT也可用于低轨道(300~500km)航天器的大气阻力补偿,星际航行航天器的主推进,以及星座和小型卫星的编队飞行和精确定位等,具有广阔的应用前景。
【学位授予单位】:西北工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:V439.2

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