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脉冲等离子体推力器设计与性能的理论与实验研究

李自然  
【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。


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