（航空宇航科学与技术专业论文）脉冲等离子体推力器工作过程理论和实验研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博上学位论文 摘要 电推进装置以其优越的性能广泛应用于空间飞行任务。脉冲等离子体推力器 ( p u l s e dp l a s m at h r u s t e r ，p p t ) 是一种比冲高、功耗低、结构简单、重量轻的电 磁推力器，可应用于微小卫星的位置保持、姿态控制、编队飞行等任务，成为当 前国际上电推进研究的热点之一。通过理论分析、实验研究和数值模拟等多种手 段，本文系统研究了平行板电极固体推进剂p p t 的工作过程，分析了影响推力器 性能的因素，探讨了提高推力器性能的途径。 建立了p p t 实验系统，包括模拟航天器飞行条件的真空系统、p p t 微推力测 量系统以及放电参数测量系统等。详细分析了各子系统的技术要求、指标与特性。 采用电磁天平结构研制了微推力测量装置，解决了p p t 研究中推力测量的关键技 术问题。 采用机电模型对p p t 的性能参数进行了预估，针对不同电参数( 电容器容量、 初始电压、电路电阻、电子温度等) 和结构参数( 电极间距、电极宽度及推进剂 烧蚀剖面高宽比) 进行了计算分析，研究了这些参数的变化对推力器性能的影响。 研制了一种平行板电极尾部馈送型p p t ，在不同工况下对推力器进行了点火 实验，测量获得了放电电流和电压波形、脉冲平均烧蚀质量、平均推力等工作参 数，计算得到了不同工况下元冲量、比冲、推力效率等性能参数，分析了不同电 参数和结构参数对推力器性能的影响。实验研究表明：在相同的放电能量情况下， 采用小容量电容器、提高电容器初始电压可以有效提高推力器元冲量、比冲和推 力效率；在合理的范围内增加电极长度可以提高推力器元冲量、比冲和推力效率； 在相同的放电能量下，降低推进剂烧蚀剖面面积有利于提高比冲和推力效率；对 于相同的烧蚀剖面面积，提高推进剂的高宽比，元冲量、比冲和效率都会提高。 以局部热力学平衡和等离子体宏观电中性为基本假设，建立了基于磁流体动 力学( m a g n e t o h y d r o d y n a m i c ，m h d ) 的p p t 工作过程一维非定常数学模型。模型 描述了p p t 内部多种重要的物理机制及其相互间的耦合作用，反映了对流和扩散 产生的物质、能量和动量的输运、洛伦兹力的作用及欧姆加热、磁场扩散等物理 过程。对理想m h d 方程进行了特征分析，推导了其特征矩阵，采用二阶 m a c c o r m a c k 显式格式对带欧姆加热源项的m h d 方程组进行了求解。数值计算表 明：电离气体主要来自于脉冲前期，经洛伦兹力加速后获得高的喷射速度，是推 力的主要来源；在一次脉冲周期内，推力器放电结束后，推进剂烧蚀表面温度较 长时间仍处在t e f l o n 分解温度之上，导致推进剂的滞后蒸发，是p p t 推进剂的利 用效率及推力效率低的主要原因。 第x i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 主题词：电推进、脉冲等离子体推力器、实验装置和设备、工作过程、测量、 数值模拟，磁流体动力学 第x l l 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cp r o p u l s i o nd e v i c e sh a v eb e e nu s e dw i d e l yi ns p a c ef l i g h tm i s s i o nf o ri t s s u p e r i o rp e r f o r m a n c e p u l s e dp l a s m at h r u s t e r ( p p t ) i sak i n do fe l e c t r o m a g n e t i ct h r u s t e r ， w h i c hh a sc h a r a c t e r so fh i g hs p e c i f i ci m p u l s e ，l o wp o w e r ，s i m p l i c i t y ，l i g h tw e i g h ta n d s oo n i tc a nb ea p p l i e di ns t a t i o n - k e e p i n g ，a t t i t u d ec o n t r o la n df o r m a t i o nf l y i n g r e q u i r e m e n t so fm i c r o s a t e l l i t e s ，w h i c hh a sb e c o m eah i g h l i g h to fe l e c t r i cp r o p u l s i o n r e s e a r c hi n t e r n a t i o n a l l yc u r r e n t l y b ym e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ， w o r k i n gp r o c e s s o f p a r a l l e l - p l a t e s o l i d - p r o p e l l a n tp p tw a ss t u d i e d ，f a c t o r sa f f e c t i n gt h r u s tp e r f o r m a n c ew e r ea n a l y z e d ， t h ew a yt oi m p r o v i n gt h r u s tp e r f o r m a n c ew a se x p l o r e d p p te x p e r i m e n t a l s y s t e m w a se s t a b l i s h e d ，w h i c hi n c l u d e sv a c u u ms y s t e m ， m i c r o t h r u s tm e a s u r es y s t e ma n de l e c t r i cp a r a m e t e r sm e a s u r es y s t e m t e c h n i q u e r e q u i r e m e n t s ，t a r g e t sa n dc h a r a c t e r so fe x p e r i m e n t a ls y s t e mw e r ea n a l y z e di nd e t a i l b a s e do ne l e c t r o m a g n e t i s mb a l a n c em i c r o - t h r u s tm e a s u r e m e n td e v i c ew a sd e v e l o p e d ， w h i c hr e s o l v e dk e yt e c h n i q u ep r o b l e mi np p tr e s e a r c h e l e c t r o m e c h a n i c a lm o d e lw a su s e dt op r e d i c tp p tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s i n f l u e n c e so fv a r i a t i o n so fe l e c t r i cp a r a m e t e r s ( c a p a c i t o rc a p a c i t a n c e ，i n i t i a lv o l t a g e ， c i r c u i tr e s i s t a n c ea n de l e c t r o nt e m p e r a t u r e ) a n dc o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r s ( e l e c t r o d e s d i s t a n c e ，e l e c t r o d ew i d t ha n de l e c t r o d er a t i oo fh e i g h tt ow i d t h ) o nt h r u s t e rp e r f o r m a n c e w e r es t u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ab r e e c h - f e d p a r a l l e l - p l a t ep p tw a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d i g n i t i o n e x p e r i m e n t s w e r e p e r f o r m e d u n d e rd i f f e r e n t w o r k i n g c o n d i t i o n s p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r ss u c ha sd i s c h a r g ev o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m ，a b l a t i o nm a s sp e rp u l s e a n dt h r u s tp e rp u l s ew e r e m e a s u r e d ，a n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ss u c ha si m p u l s eb i t ， s p e c i f i ci m p u l s e ，t h r u s t e re f f i c i e n c yw e r ec a l c u l a t e d i n f l u e n c eo fv a r i a t i o n so fe l e c t r i c p a r a m e t e r sa n dc o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r so nt h r u s t e rp e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e d ，a tt h es a m ed i s c h a r g ee n e r g ys m a l l e rc a p a c i t a n c ea n d h i g h e ri n i t i a lv o l t a g ec a l le f f e c t i v e l yi m p r o v et h r u s t e ri m p u l s eb i t , s p e c i f i ci m p u l s ea n d t h r u s te f f i c i e n c y ，w i t h i nr e a s o n a b l er a n g ei n c r e a s i n ge l e c t r o d el e n g t hc a ni m p r o v e i m p u l s eb i t ，s p e c i f i ci m p u l s ea n dt h r u s te f f i c i e n c y ，a tt h es a m ed i s c h a r g ee n e r g ys m a l l e r p r o p e l l a n ta b l a t i o na r e ai so fa d v a n t a g et os p e c i f i ci m p u l s ea n dt h r u s te f f i c i e n c y ，a n dt o t h es a m ea b l a t i o na r e a ，i n c r e a s i n gt h er a t i oo fh e i g h tt ow i d t ho fp r o p e l l a n tc a ni m p r o v e i m p u l s eb i t ，s p e c i f i ci m p u l s ea n dt h r u s te f f i c i e n c y o nt h ea s s u m p t i o no fl o c a lt h e r m o d y n a m i ce q u i l i b r i u ma n dq u a s i - n e u t r a lp l a s m a , l - dp p tw o r k i n gp r o c e s su n s t e a d ym a t h e m a t i cm o d e lb a s e do nm a g n e t o h y d r o d y n a m i c w a s e s t a b l i s h e d ，w h i c h d e s c r i b e d p h y s i c sm e c h a n i s m s a n dc o u p l ee f f e c t so f m e c h a n i s m si n p p t ，r e f l e c t e dt h ep h y s i c sp r o g r e s s o f c o n v e c t i o n ，e n e r g y a n d 第x i i i 页 国防科学技术大学研究生院博上学位论文 m o m e n t u mt r a n s p o r t a t i o n ，l o r e n t zf o r c e ，o h m i ch e a t i n ga n dm a g n e t i cf i e l dd i f f u s i o n ， e t c t h ee i g e n v a l u e sa n de i g e n v e c t o r so ft h ei d e a lm h d e q u a t i o n sw e r ea n a l y z e da n d d e d u c e d m h de q u a t i o n sw i t ho h m i ch e a t i n gs o u r c ew e r es o l v e db ys e c o n do r d e r m a c c o r m a c ks c h e m e c a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w e d ，i o n i z e dg a s e sm o s t l yc o m eo u ta tt h e p u l s e dt i m e ，e x h a u s tv e l o c i t ya c c e l e r a t e db yl o r e n t zf o r c ei sp r i m a r ys o u r c eo ft h r u s t ， p r o p e l l a n ta b l a t i o ns u r f a c et e m p e r a t u r ei sa b o v et e f l o nd e c o m p o s et e m p e r a t u r ei na p u l s et i m ea f t e rd i s c h a r g ef o ral o n gt i m e ，w h i c hl e a dt ol a t ea b l a t i o no fp r o p e l l a n tt o r e d u c et h eu s ee f f i c i e n c yo fp r o p e l l a n t k e yw o r d s ：e l e c t r i cp r o p u l s i o n ，p u l s e dp l a s m at h r u s t e r , e x p e r i m e n t a ls e t u p a n d f a c i l i t i e s ， o p e r a t i o np r o c e s s ， m e a s u r e m e n t ， n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ， m a g n e t o h y d r o d y n a m i c 第x i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图目录 电推进与化学推进的比较3 电推进的最佳比冲3 p p t 常用构型6 p p t 工作过程示意图6 真空机组系统图2 8 真空舱结构图3 2 低温吸附系统3 3 真空舱和电控柜。3 4 真空机组。3 4 p p t 微推力测量装置推力测试台架3 7 p p t 微推力测量装置测控仪( 前面板) 3 7 p p t 微推力测量装置测控仪( 后面板) 3 7 微推力测量装置原理框图3 8 微推力测量装置静态标定4 1 推力测量原始数据4 l r o g o w s k i 线圈测量电流4 2 圆形截面r o g o w s k i 线圈截面示意图一4 4 外积分式罗圈电路示意图4 5 r o g o w s k i 线圈4 6 平行板电极p p t 5 0 平行板电极p p t 电路模型5 0 完全导电一匝螺线管51 电流片51 l e s 6p p t 放电电压和电流波形5 5 l e s 6p p t 能量分布5 6 不同电容容量下的放电电压和放电电流波形。5 7 不同电容容量下的性能参数。5 7 不同电容容量下的能量分布。5 8 不同初始电压下的放电电压和放电电流波形5 8 不同初始电压下的性能参数5 9 不同初始电压下的能量分布5 9 不同电容容量和初始电压下的放电电压和电流波形5 9 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图3 2 6 图3 2 7 图3 2 8 图3 2 9 图3 3 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 不同电容容量和初始电压下的能量分布6 0 不同电阻下的放电电压和放电电流波形6 0 不同电阻下的性能参数6 l 不同电阻下的能量分布6 1 不同电子温度下的放电电压和放电电流波形6 2 不同电子温度下的性能参数6 2 不同电子温度下的能量分布6 2 不同电极间距下的电压和电流6 3 不同电极间距下的性能参数6 3 不同电极间距下的能量分布6 4 不同电极宽度下的放电电压和放电电流波形6 4 不同电极宽度下的性能参数6 5 不同电极宽度下的能量分布6 5 不同推进剂暴露面积下的放电电压与放电电流波形6 5 不同推进剂暴露面积下的能量分布6 6 不同高宽比下的放电电压与放电电流波形6 6 不同高宽比下的能量分布6 7 p p t 系统组成6 8 恒力弹簧6 9 阳极7 0 阴极7 0 推力器本体示意图。7 1 点火控制器电路图7 l a 型点火电路7 2 b 型点火电路。7 2 c 型点火电路。7 3 火花塞结构示意图7 4 火花塞照片7 4 r o g o w s k i 线圈安装示意图7 5 p p t 放电参数测量示意图7 6 推力器点火照片l 7 8 推力器点火照片2 7 8 p p t 典型放电电压和电流波形7 9 不同充电电压下的放电电流波形8 0 第v i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 2 图5 2 3 脉冲r f 均烧蚀质量与电容器能量之间的关系8 l 元冲量与电容器能量之间的关系8 2 不同电极长度的放电电流波形8 3 不同高宽比的放电电流波形8 5 t e f l o n 烧蚀剖面8 6 烧蚀模型示意图。9 0 向量方向示意图9 1 m a c c o r m a c k 格式速度图1 0 1 r u n g e k u t t a 格式速度图一1 01 m a c c o r m a c k 格式密度图1 0 1 r u n g e k u t t a 格式密度图1 0 1 m a c c o r m a c k 格式磁感应强度图1 0 1 r u n g e k u t t a 格式磁感应强度图101 m a c c o r m a c k 格式压力图1 0 2 r u n g e k u t t a 格式压力图1 0 2 t e f l o n 初始温度分布1 0 6 计算得到的放电电压与电流波形1 0 7 实验测到的放电电压与电流波形1 0 7 推进剂烧蚀表面温度随时间变化图1 0 7 推进剂烧蚀质量随时间变化图1 0 7 元冲量随时间变化图10 8 磁感应强度分布图1 0 9 等离子体速度分布图1 0 9 等离子体总压力分布图1 0 9 等离子体磁压分布图。10 9 不同推进剂内部初始温度计算得到1 0 r t s 内的烧蚀质量1 1 0 不同推进剂内部初始温度计算得到1 0 9 s 内的元冲量11 0 不同等离子体初始密度计算得到的推力器出口速度分布。1 1 0 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表1 1 表1 2 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表 表 表 表 5 6 1 2 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表5 1 表目录 部分用于空间飞行的电推力器【1 2 】4 已应用或进行空间验证的p p t 7 真空系统设计指标。2 7 真空机组技术参数一2 8 真空舱设计参数3 2 微推力测量方案基本类型。3 5 微推力测量常用方案对比3 6 罗圈及积分电路参数4 6 l e s 6p p t 相关参数5 5 l e s 6p p t 实验与机电模型计算结果比较5 5 p p t 放电参数7 8 不同电极长度的脉冲平均烧蚀质量和元冲量比较8 3 不同电极间距( 推进剂高度) 的脉冲平均烧蚀质量和元冲量比较8 4 不同推进剂宽度的脉冲平均烧蚀质量和元冲量比较8 4 不同推进剂高宽比情况下的推进剂烧蚀质量与元冲量比较。8 5 用于m h d 模拟的p p t 参数1 0 6 第1 x 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特另0 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：丛生笠煎壬签整左墨王笠过猩垄论狸塞验盈究 学位论文作者签名：- 二盔聋i 坠一日期：知吁年7 月7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：盛韭笠直壬签推应墨王丝过程堡论狸塞验班究； 学位论文作者签名：型壁! 生二 作者指导教师签名： 日期：枷7 r 年7 月7 日 日期渺7 年7 月7 日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论弟一早 三百y 匕 1 1 研究背景与意义 航天事业的每一次突破都有赖于推进技术的发展，而新的航天活动又将对推 进技术提出新的、更高的要求。化学火箭的诞生和发展使人类在探索和利用太空、 改善自身的生活环境及质量等方面取得了辉煌的成就【1 】。在人类航天探索的历程 中，利用航天飞机、宇宙飞船等完成了各种刁i 同的任务，如从地球进入轨道飞行 和载人登月等，完成这些任务的运载器主要采用大推力推进系统。对于这类任务， 化学推进系统过去、现在都是合适的选择【2 】。 航天探索是一种综合性、高难度、高风险因而必然是高成本的活动，近地航 天事业如此，月球、火星等太阳系的空间探测尤甚。航天事业的费用与发射重量 成正比，为了保持低的任务费用，降低航天器重量变得越来越重要。 近年来，微小卫星以其重量轻、体积小、成本低、研制周期短等特点，得到 了迅速发展，广泛应用于通信、遥感、军事侦察等领域【3j 。有人认为它在某种意义 上代表了航天器小型化的趋势，成为卫星工程发展的重要趋势之一。卫星要实现 小型化和轻量化，其分系统就必须实现小型化和轻量化，卫星上的推进系统是构 成卫星重量和体积的重要因素。空间推进系统轻量化技术是研究如何使空间推进 系统，特别是对组成编队飞行的微小卫星上用于精确定位的推进系统小型化、轻 量化的技术 4 1 。目前研究较多的是化学推进系统和电推进系统。 对于采用化学推进系统的航天器，推进剂是其主要的重量负担。由火箭方程 5 1 可知，在降低推进剂重量的同时要获得高的推进性能，必须提高推进系统的喷气 速度。而作为常规的化学推进系统，其喷气速度存在一个理论极限，最为理想的 情况是推进剂本身携带的化学能完全转换成喷气动能，而这个化学能是有限的。 为了避开化学推进系统中推进剂化学能受限这一问题，人们引入了电推进概念， 并在广泛地探索其它新概念推进技术。 电推进技术就是利用电能产生并加速带电粒子形成高速射流而产生推力的技 术，其喷气动能源于外界注入的电能，因此理论上可以通过不断提高比功率( 单 位质量流率推进剂获得的平均电功率) 来不断提高喷气速度。一般而言，电推进 系统的喷气速度比化学推进系统高出一个数量级。对于一定的空间推进任务，采 用电推进系统比采用化学推进系统可以大大节省推进剂，这对于航天器设计无疑 是非常有益的。 1 9 6 4 年1 1 月3 0 日，前苏联在星际探测器z o n d 2 上首次使用脉冲等离子体推 力器( p u l s e dp l a s m at h m s t e r ，p p t ) ，承担探测器对太阳的定向任务，这是第一 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 个成功应用于空间飞行的电推进系统【6 j 。 p p t 是一种电磁推力器，具有比冲高、功耗低、结构简单、重量轻等特点， 成为当前国际上电推进研究的热点之一。对于许多微型航天器的推进任务，包括 轨道转移、位置保持、阻力补偿、精确编队飞行以及姿态控制等来说，p p t 是一 个最主要的候选者。对于姿态控制和位置保持而言，毫弧度和毫米的定位精度需 要约l 州s 的元冲量( i m p u l s eb i t ) ；对于阻力补偿和轨道转移而言，需要m n 量 级的推力。p p t 可以在大范围内调节推力，以满足这种推力量级的变化。当前， 为满足星座及微小卫星编队飞行等任务需要，美国、俄罗斯、日本等国已把p p t 作为研究重点，开展了大量的研究工作，安排了一系列的空间飞行试验；德国、 阿根廷、韩国等国也以p p t 作为各自国家在空间推进技术研究方面的契入点，开 展了理论和实验研究，并着手准备空间飞行试验。 随着微小卫星技术及其应用在我国的迅速发展，必将产生对应用于微小卫星 的在轨推进技术广泛需求，因而研制高性能p p t 具有十分重要的意义。本文采用 理论分析、实验研究和数值仿真等多种手段，研究p p t 工作过程和工作机理，确 定影响p p t 性能的主要因素和机制，探寻提高p p t 性能的途径和方法，为研制高 性能p p t 奠定坚实的技术基础。 1 2 1 电推进研究概述 1 2 国内外研究发展综述 1 2 1 1 电推进的分类和特点【7 ，3 】 根据推进剂加速方式，电推进系统可以分为三种基本类型：电热式、静电式 和电磁式。 电热式推力器是利用电能加热推进剂，使其气化、分解，再经喷管膨胀、加 速喷出产生推力。按加热方式不同，可分为电阻加热推力器( r e s i s t o j e t ) 、电弧 加热推力器( a r c j e t ) 和微波等离子体推力器( m i c r o w a v ep l a s m at h r u s t e r ，m p t ) 笙 寸。 静电式推力器是利用电能将易于离解的推进剂离解，形成电子和离子，然后 使带正电荷的离子在静电场作用下加速喷出产生推力。主要包括离子推力器( i o n t h r u s t e r ) 、场发射电推进( f i l e de m i s s i o ne l e c t r i cp r o p u l s i o n ，f e e p ) 和胶体推力 器( c o l l o i d a lt h r u s t e r ) 等。 电磁式推力器是利用电能使推进剂电离成等离子体，等离子体在电场和诱导 磁场( 或j b 力n 磁场) 相互作用产生的电磁力的作用下，加速喷出产生推力。主要 包括磁等离子体动力学推力器( m a g n e t o p l a s m a d y n a m i ct h r u s t e r ，m p d t ) 、霍尔效 第2 页 国防科学技术大学研究生院博上学位论文 应推力器( h a l lt h r u s t e r ) 、脉冲等离子体推力器( p u l s e dp l a s m at h r u s t e r p p t ) 等。 一般而言，与化学推进系统相比( 图1 1 ) ，电推进系统具有以下特点： ( 1 ) 比冲高，常规化学推进系统的比冲刁i 超过5 0 0 s ，而电推进系统的比冲可高 达上千秒，甚至更高，因而可大大节省推进剂质量，降低发射成本，或提高有效 载荷比重，或者提高航天器的寿命； ( 2 ) 可产生微小推力，可以获得很高的控制精度，工作时对航天器的姿态及航 天器上其它系统的影响小； ( 3 ) 电推进系统是一种能源和推进剂分离的系统，需要的电能来自太阳能电 池、蓄电池或者核能。因此，电推进系统的应用受制于空间电源系统的发展，这 是电推进系统的不足之处。 时阊 图1 1电推进与化学推进的比较 由于比冲与推进剂的质量流量和电功率有关，而电推进系统的质量很大程度 上决定于电源系统的质量。因此，对于恒定推力任务，电推进系统存在一个最佳 比冲( 图1 2 ) ，它使功率和推进剂质量最小。如果比冲高于最佳比冲，需要更大 的功率，意味着需要更多的电源质量；反之则需要更多的推进剂质量。 皤 蜒 恒定推力任务 ( 推力一功率，比冲)m p + m p o w r ：r 最大有效载衙 最佳l 比冲 m p o w e r = 电源质薰 m p = 推进荆质鬻 比冲 图1 2 电推进的最佳比冲 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 1 2 1 2 电推进发展简史一j 电推进的理论研究始于2 0 世纪初期【l0 1 。1 9 0 6 年，美国科学家、现代火箭技术 的先驱g o d d a r d 提出了用电能加速带电粒子产生推力的思想。1 9 11 年俄国科学家 z i o l k o v s k y 也设想利用带电粒子作空间喷气推进。1 9 2 9 年德国科学家o b e r t 出版了 研究利用电推进的专著。1 9 2 9 1 9 3 1 年间，前苏联在列宁格勒建立了专门研究电 推进的机构，气体动力学实验室的g l u s h k o 演示试验了世界上第一台电推力器，用 大电流放电使液体推进剂汽化、膨胀，再从喷管喷出。1 9 4 6 - - - , 1 9 5 7 年间，美国和 前苏联科学家提出了许多类型电推力器的方案和理论，论证了空间电推进的可行 性。 电推进的工程研究从2 0 世纪5 0 年代末才开始l l 。1 9 5 5 - - 1 9 5 7 年间，前苏联 开展了平行板电极和同轴电极脉冲等离子体推力器的试验研究。1 9 5 8 年8 月，美 国的f o r r e s t e r 在r o c k e td y n e 公司运行了第一台铯接触式离子推力器。同年，前苏 联也试验了这种推力器。1 9 6 0 年n a s a 的k a u f m a n 运行了第一台电子轰击式离子 推力器。同年，德国吉森大学的l 6 b 试验了第一台射频离子推力器。前苏联库哈 托夫原子能研究所的m o r o z o v 在1 9 6 6 年试验了第一台稳态等离子体推力器。 经过几十年的理论和试验研究，电推进完成了从实验室研究到空间应用的过 渡，并逐步应用于航天器的姿态控制、位置保持、阻力补偿、轨道提升、轨道修 正、轨道转移、重新定位、离轨处理、深空探测和星际航行等任务。至今，全世 界约有2 0 0 多颗地球轨道卫星和深空探测器使用过近5 0 0 台电推力器。电推进的 发展方兴未艾。表1 1 总结了部分用于空间飞行的电推力器。 表1 1 部分用于空间飞行的电推力器【1 2 1 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 其它轨道调整： 1 9 6 5 1 9 7 4 1 9 7 5 1 9 9 8 2 0 0 0 v e l a m e t e o r - 18 t i p 2 a m s a tp 3 d m i g h t s a ti i 1 r e s i s t o j e t s p t p p t a r c j e t p p t 0 0 9 0 4 5 o 0 3 0 7 0 0 1 0 相位调整 轨道调整 阻力补偿 轨道调整 轨道转移 1 2 1 3 国内电推进的研究现状1 7 ，9 ，1 1 ，1 3 l 国内电推进的研究起步于2 0 世纪6 0 年代，先后开展过汞、氩离子推力器和 p p t 等电推进技术的研究，取得了一定成果。但由于各种原因，电推进的研究一 度中断，未获得突破性进展，一直未能投入使用。进入2 0 世纪9 0 年代中期，国 内多家单位重新开始电推进技术的研究。 在航天工业部门中，航天科技集团5 1 0 所开展了氙离子推力器的研究，已经 完成9 c m 氙离子推力器的原理样机研制。目前正在进行8 c m - - 2 0 c m 氙离子推力器 系统集成和工程化研制；航天科技集团8 0 1 所开展了s p t 的关键技术研究和原理 样机研制，已研制出s p t 4 0 、s p t 7 0 和s p t 1 0 0 等样机；航天科技集团5 0 2 所针 对d f h 4 平台的总体方案和性能特点，以s p t 1 0 0 为例，初步设计了电推进系统 在d f h 4 平台上执行南北位置保持任务的应用方案，开展了电推进系统的应用可 行性研究。 高校和科研院所中，中国科学院空间科学与应用研究中心开展了a r c j e t 研究， 采用柔性轴承方法测量推力，加工不同尺寸和电极材料的推力器，采用氮、氩、 氮氢混合气体作推进剂进行了不同工况下的点火实验；国防科技大学建成了用于 p p t 实验研究的真空实验系统、州量级微推力测量装置、电参数测量系统以及等 离子体羽流诊断系统，开展了p p t 工作过程的理论和实验研究；西北工业大学开 展了m p t 的理论与实验研究，已研制出功率为1 0 0 w 和1 0 0 0 w 的原理试验样机； 北京航空航天大学开展小功率a r c j e t 的研究，建成了真空实验系统和m n 量级微 推力测量装置，并用氮气、氩气进行了性能试验。此外，哈尔滨工业大学和清华 大学分别开展了s p t 和a r c j e t 的理论与实验研究。 1 2 2p p t 研究历史与现状 1 2 2 1p p t 简介网 p p t 是利用脉冲放电烧蚀或加热、分解、电离工质，使之成为等离子体，在 放电电流与磁场相互作用产生的电磁力作用下，加速喷出产生推力。 根据所采用的推进剂，p p t 可分为固体、液体和气体三种；根据电极构型可 第5 页 国防科学技术大学研究生院博上学位论文 分为平行板电极式、同轴电极式两种；根据推进剂供应方式，又可分为尾部馈送 式和侧面馈送式两种。较为常见的是采用固体聚四氟乙烯( t e f l o n ) 的平行板电极 尾部馈送p p t 和同轴侧面馈送p p t ，如图