电热推力器介绍.ppt

电热推力器 page2 电热推力器 电热推力器利用电能加热工质 氢 胺 肼等 使其气化 经喷管膨胀加速后 由喷口喷出而产生推力 目前在用的两种类型 1 电阻加热式推力器 利用高电阻元件消耗电能来加热推进剂 主要通过对流方式传热 2 电弧加热式推力器 电流从工质气体通过气体由于放电被电离 通过超音速喷管加速是热推进最显著的特征 page3 电热推力器 电阻加热式推力器 这类装置是一种最简单的电推力器 其技术源自常规的热传导 热对流和热辐射 推进剂在流过电阻加热的难熔金属表面时被加热 加热器可以有多种方式 例如 螺旋加热管 空心加热管 加热片 加热圆柱管 page4 电热推力器 电阻加热式推力器 电阻加热推力器简图 page5 电热推力器 电阻加热式推力器 由于现有材料限制 使得电阻加热推力器的工作温度只能低于2700k 因此最大比冲在300s左右 最高比冲在氢作催化剂时达到 但其密度低导致推进剂贮存体积很大 采用液态肼的系统具有结构紧凑的优点 混合气体利用催化剂分解预热至700摄氏度以上 然后通过电加热至更高温度 利用空间化学推进的优点 可减小所需的电工耗 page6 电热推力器 page7 电热推力器 电阻加热式推力器 由于材料的限制 电阻加热推力器的气体最高温度是有限的 用于电阻元件的高温材料有铼 难熔金属及其合金 铂以及金属陶瓷 对高温电绝缘 氮化硼是非常有效的材料 发动机设计的目的是使推力室中热损失同所消耗的功率相比维持在较低的水平 这可通过 使用隔热外套 增加辐射屏 气体分层或多级流入 同推力器和整个推进系统相比 隔热层和辐射屏的质量比较小 page8 电热推力器 电阻加热式推力器 电阻加热推力器的效率在65 到85 之间 其值随推进剂 喷出气体的温度和其他因素而变化 对于一给定的电热推力器 比冲主要取决于 推进剂分子质量 腔室和喷管所能承受的最高温度 电阻推力器的比冲虽然相对较低 但它效率高使得它与其它推力器相比有更高的推力 功率比 另外这种发动机在所有电火箭发动机中是系统干重最轻的 因为它们不需要功率处理单元 其羽流不带电 page9 电热推力器 电阻加热式推力器 优点 结构简单 易控制 电源功率调节简单 成本低 相对大推力和高效率 能使用多种推进剂 包括肼增强式 缺点 比冲最低 热损失大 气体分解 气体非直接加热 腐蚀 电阻加热推力器适用于中小速度增量的任务 目前已用于intelsatv satcom1 r meteor3 1 gstar 3和铱星 page10 电热推力器 电弧加热式推力器 电弧加热推力器 在其相对简单的结构中蕴含着十分复杂的物理现象 电弧加热克服了电阻加热推力器对气体温度的限制 它利用电弧直接加热推进剂流至超过推力室壁的温度 在中心阴极和阳极顶尖之间实现放电 阳极是加速高温推进剂的共轴喷管的一部分 page11 电热推力器 电弧加热式推力器 page12 电热推力器 电弧加热式推力器 电弧本身是不稳定的 经常有扭动和摆动 这在一定程度上可通过一外加电场或在气体流的最外层通过旋转的涡流稳定 在喷管喉部 流层结构非常不均匀 电弧不稳定及喉部的腐蚀十分有限 电弧加热式推力器的运动离子流可根据等离子体物理进行分析 通过气体的电导通需要有确定的电离化程度 电离可由气体放电实现 page13 电热推力器 电弧加热式推力器 对电弧推力器进行分析 可得出如下结论 1 能量输入主要发生在喷管喉部内小直径的层流放电区 2 阴极顶需加热才能发射起弧电子 它由电弧加热而由推进剂流冷却 3 喷管内壁有电弧加热 其温度可达10000 20000k page14 电热推力器 电弧加热式推力器 4 在电弧区的热气体应同其余推进剂快速混合 这是由涡流和湍流实现的 5 在喷管扩张段的放电电弧的底部 即电极上同电弧接触区 阳极部分被加热至最高温度 推进剂的加热不是都在高压腔室中进行 超音速流中的加热是一损失源 page15 电热推力器 电弧加热式推力器 现在 大多数电弧加热推力器的效率很低 因为只有不到一半的电能转换为推力器的动能 出口羽流的非动能 残余内能和电离 是一个非常大的损失 同时 由于放电现象复杂 其功率处理单元比电阻推力器复杂 然而 电弧加热推力器比其它电推进系统更具升级到大推力的水平 page16 电热推力器 电弧加热式推力器 电弧加热推力器的寿命受电极局部腐蚀和蒸发所限制 这主要受电弧接触点和高工作温度的影响 腐蚀率受特定推进剂和电极材料的综合影响 还受压力梯度的影响 压力梯度在启动和脉冲过渡段通常比稳定工作状态要大 page17 电热推力器 电弧加热式推力器 优点 直接加热气体 电压低 结构相对简单 推力相对大 能使用催化肼增强 惰性气