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低功率水电弧加热发动机的实验研究

沈岩  
【摘要】:由于性能的优越性,电推进系统正逐步取代传统的化学推进系统,成为为航天器提供机动和控制推力的首选装置。作为电推进的一种形式,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。水是空间站和一切有人参与的空间探索的必备资源,也是其它星球目前唯一可以直接使用的资源,如果以水作为推进剂,不仅能够解决推进剂在空间的自身供应问题,还可以利用载人航天中的废水,并与其他和水相关的系统共享贮存系统,从而节约成本和空间。因此如果能把水用于电弧加热发动机,则对深空探测和载人航天工程具有重要的意义。 本文以水为推进剂应用在电弧加热发动机中,解决了以水为推进剂时的相关问题,设计和加工了试验样机,并设计和建立了一套电弧加热发动机的工作环境和性能试验系统。利用这些设备,首先用氩气为推进剂进行了测试,得到了本文设计的电弧加热发动机的全面的性能参数及其相互关系,进而用水作为推进剂进行了一系列试验。试验表明以水为推进剂时能够可靠启动和工作,从而验证了以水为推进剂的电弧加热发动机的可行性。 在本文实验中,以水为推进剂的一个典型工况下,即电流8A、水流量15mg/s时,电弧电压平均值为80.5V,比冲约为650s、效率约为55%~60%,都远高于以氩气为推进剂的情况,也高于文献报道中以肼为推进剂的情况。本文用试验数据对以水为推进剂的这种高比冲特性进行了分析。 本文还建立了电弧加热发动机的羽流诊断系统,同时用光谱法和Langmuir探针法测量了电弧加热发动机羽流的激发温度和电子温度,其中光谱法中同时用谱线的绝对强度法和玻尔兹曼图法得到了羽流的激发温度。诊断结果表明羽流处在热力学非平衡态下,测量得到的电子温度和激发温度之间有较大的差别。通过试验结果的对比,讨论了二者之间的差别及其产生机理,并讨论了热力学非平衡态对测量结果的影响。


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