等离子体推动器(finalversion)

等离子体推动器传统化学推动剂的缺点：在深空探测中，化学推动剂占航天器重量的绝大局部，有效载荷小，效率低，造价高。〔附：肼〔联氨〕-----一种无色发烟的、具有腐蚀性和强复原性的液体化合物NH2NH[hydrazine],它是比氨弱的碱,通常由水合肼脱水制得,燃烧热较大主要用作火箭2和喷气发动机的燃料,用在制备盐(如硫酸盐)及有机衍生物中〕在探究更远的星球时，化学燃料推动已不行行。通信卫星长寿命增加〔15年〕越多〔使用次数愈来愈多〕,大量挤占了有效载荷的重量。因此,大型通信卫星的推动系统改用电推动已势在必行。目前航天领域广泛使用的化学火箭发动机，对于完成航天器从地面对空间轨道的放射任务，还难以用其它动力装置代替。但由于化学推动的比冲偏小，最大不超过4.6kN*s/kg，所以，假设对于航天器的轨道转移、轨道修正、姿势掌握、对接交会、位置保持、南北轨控和星际航行等特别任务仍旧承受化学动力装置，那么就会使始终昂贵的航天器放射本钱居高不下，而且也会严峻影响其使用寿命。电推动器的优缺点优点：效率高―――喷射离子速度远高于化学燃烧气体粒子速度；倍所需重量降低；最终速度高〔化学推动剂：5km/10-20km/。缺点：推力小，加速时间长，需要电源，轨道转移；遥感卫星的轨道调整和姿势掌握；通讯卫星的轨道保持；深空探测；1．国际1．国际电推动进展史第一次离子推动试验室试验By1916Goddardandhisstudentswereconductingperhapstheworld”sfirstelectricpropulsionexperimentswithionsources.FouryearslaterGoddarddevotedpassagesofhistechnicalreportstohisEPexperiments.第一次电推动飞行试验世界上首次电推动(脉冲等离子体推动)空间飞行试验是前苏联于1962〔该次放射的意义：标志科学界已承受电推动技术，进入一个的历史时期：不再是证明电推动是否有价值的时期，而是解决静电推动存在的问题。第一次离子电推动1964年进展的。商业卫星电推动1997商业卫星上正式应用;电推动作为主推器1999使用电推动系统的航天器数量目前，已经到达200颗以上。现代离子推动器的力量推动速度：90Km/S200,000miles/h推力：0.5Newton附：1.NASA五十年月开头争论电推动；第一次离子电推动空间试验SpaceElectricRocketTest1(SERT1)1964，7，20，持续31分钟后返回地球〔注：电池供电，离子推动器绑在模拟太空舱上，太空舱由战斗机放射〕1974to19838cm〔19901子量也较大,电离电压低。〕附：为什么使用高原子子质量放电气体？mV meU/2m1/2 eUm1/2提高推力，降低推动剂流量、等离子体离子流量highthrust-to-currentratio,〕1998-202330cm离子推动器，用做主推动器，推动里程263,179,600km,推动速度4,500m/s20016,246h。48631kg81.5kW。2.2.2023年日本北海道(Hokkaido)技术争论所进展了低功率微波静电推力器试验。在27W功率下的预期性能为:效率10%,比冲1250s,推力360μN。2023年完成了放电室直径1.6cm小型微波放电推力器的5000h试验。在30.8W功率下,推力为0.5mN,比冲为1371s。该推力器用磁喷嘴,而不是栅极加速引出束流。3.2023年5月日本放射了4年使命周期的小行星采样返回航天器Muses-C,放射后改名为隼鸟(Hayabusa)。航天器用3台(第410cm微波电子盘旋谐振放电离子发动机作为主推动,单台推力器功率400W,推力8mN,比冲3000s。2023年5月27日至6月中旬,离子电推动成功点火工作。由于太阳爆发引起电池阵损伤,使得2023年夏天交会被推迟。2023年9Itokawa)行星围绕轨道,消耗氙推动剂22kg(携带65kg),累计工作时间到达25600h。11月成功降落星体并完成了采样,12月1日承受返回器离开。由于化学推力器失效,只能依靠微波离子电推动返回地球,返回时间从2023年推迟到2023年3.在7019868cm的汞离子5mN2650s158W。冲2980s332W。这两种离子推力器未经过与卫星的。远景打算远景打算预备火星登陆，没有电推动不能实现。4.4.比冲Ispecific定义：单位重量的推动剂产生的冲量Ispecific=Itotal/(mpg)化学推动剂：最大不超过4.6kN*s/kg比冲的单位：[mpg]=[N*S]/[N]=[S]单位：秒应用意义：比冲大，推动效率高；推动时间计算：50kg推动剂，电推动比冲Isp=3000sT=0.1N由定义：Isp=(T*t

)/(mb

*g)0t=Isp*(mp*gb

)/T=170days0电源效率：推动效率

U ：plasma速度，m ：质量流量，P：电源功率e推动器电功率/进排气的机械能之差推动剂利用率：推动剂的质量流量/等离子体质量流量5.5.推力大快速推动；比冲高提高工质利用效率；寿命长长期稳定〔几年〕的工作推动器的能源〔等离子体放电电源〕太阳能(大功率供能的实现方法：大面积太阳能电池阵核能量状态：概念争论阶段问题：小型化根本可分为3类:电热式〔简洁说明〕电磁式〔简洁讲授〕静电式〔讲授〕相应推动器场效应静电推动器 (FEEP)微波电热推动器 (MET)电弧加热推动器 (arcjet)电阻加热发动机 (resistojet)――简洁介绍(MPD)―――讲授脉冲等离子体推动器(PPT)―――――讲授离子发动机(ionengine)――――――讲授霍尔推动器〔Hallthruster〕―――讲授亚类：稳态等离子体推动器(SPT)带阳极层推动器 (TAL)附：电阻加热推动器〔绝热膨胀公式〕Resistojetswerefirstusedin1965withnitrogenontheUSsatellites；Sincetheearly1980s,communicationsatelliteshaveusedresistojets(butnotwithhumanwasteaspropellant!)tomaintainorbitalposition.Arcjetsentereda10-yeargoldenagein1983withaNASA-industryprogram电磁型〔介绍三类〕磁等离子体动力学推动器(magnetoplasmadynamicMPD)美国普林斯敦大学MPDthruster，放电电压20V，电流500A，锂流量of20mg/s推动器及推力分析推力产生：在阴阳极之间产生电弧放电〔同等离子体炬切割机〕放电电流产生磁场〔self-inducedmagneticfield，同载流导线一样〕磁场对电FjFjB推力增加：

〔由此而成为电磁型推动器〕推动为了提高推力和电弧放电稳定性，可以使用线圈产生外磁场。推力定标律： F jB F I2m,推动剂

m为推动剂质量流量氢气，锂〔气化后，在pulsedplasmathruster体推动剂。特点

功率最高，推力最大，可用做主推动器；脉冲或连续运行缺点效率低(<50%)，缘由：放电电极需要冷却，损失能量。arc目前状态目前仅限于地面争论，未进展太空试验。脉冲等离子体推动器(PulsedPlasmaThrusterPPT)构造及放电过程〔见以下图：火化塞产生放电等离子体电流在selfinduced产生推力。特点：承受聚四氟乙烯固体推动剂；1to100W)，冲量小(10-1,000μNs)，可用于准确定位；构造简洁。目前状态：已被用于美国NASA地球勘测卫星的姿势调整。脉冲感性推动器〔PulsedInductiveThrusterPIT〕绝缘介质绝缘介质PIT的构造及工作原理〔类ICP，结合上图理解〕脉冲电容放电产生交变磁场的涡旋电驱动力，磁喷嘴，由此产生推力。PIT的优点没有电极损耗寿命问题；可以使用氨气，水〔飞行员小便等〕等推动剂；不需要变压器〔不是高压放电〕附：在电推动器中，离子电推动器的电极〔阴极、栅极〕寿命成为问题〔在下面的学习中提及〕，resistojet的寿命高，但比冲小，不适于星际旅行，同时解决寿命与推力问题，PIT是一种途径。PIT的缺点：效率低，小于50〔离子推动器效率可达80；仍旧有绝缘材料损耗；大电流开关寿命〔脉冲方式；〔3〕目前状态：地面争论，没有太空试验静电型〔介绍两类〕离子推动器〔ionengineionthruster〕〔见图示一、二，为空心阴极放电〕离子推动器原理示意图之一离子推动器原理示意图之二〔关心图一〕离子推动器原理示意图之三为射频型离子〔霍夫曼离子源〕推动器，主要由德国在争论图示主要功能单元说明：图示主要功能单元说明：〔高原子量的惰性气体输入推动器腔室；在推动器腔室内电离放电〔直流放电承受空心阴极方式，非直流方式没有电极，如射频感性耦合放电，微波电子盘旋共振放电〕；离子向推动器腔室内后部运动；离子进入正、负电极加速区〔在腔室最终面〕，离子由正极加速至负极；离子离开负电极，进入外空间，产生推力，推动飞行器向前运动；置于后部的空心阴极放射电子，中和离子。惰性气体离子被中和为原子，原子进入太空。离子推动器中重要物理问题①提高比冲①提高比冲在放电功率、推动剂流量肯定的条件下，提高等离子体密度〔离子密度〕实现方法：在直流放电下，承受空心阴极放电；承受磁场约束〔永久磁铁；承受高频沟通放电：射频，微波ECR在肯定的等离子体密度下，提高单个离子的能量实现方法：提高离子加速栅极的电压，但电源重量的随之也增大。在肯定的等离子体密度、单个离子的能量下，提高离子束推力实现方法：离子束发散角，提高合力；具体技术途径：优化离子引出、加速栅系统②提高推动器寿命在肯定的等离子体密度、单个离子的能量下、离子束散角下，增加②提高推动器寿命提高阴极〔放电、中和器阴极〕寿命〔与离子轰击、高温有关；途径：改进阴极材料〔早期阴极为灯丝，后改为空心阴极〕提高栅极寿命〔在大功率高密plasma，高加速电压下尤为重要〕加速栅极的寿命问题：造成孔的连接、局部断裂屏蔽栅极的寿命问题：栅极之间产生短路(SERT2途径：使用抗溅射腐蚀碳基材料使用炭栅极的缘由：使用炭栅极的缘由：系数和溅射率小。最好选用碳碳料的强度。主阴极的寿命问题：主阴极的寿命问题：在反复加热下,其多孔钨板会损工作寿命缩短。延长寿命的方法是改进涂层。提高高压电源寿命器件、材料〔3〕〔3〕离子推动器实物照片圆形栅极侧面图方形栅极〔ECR离子推动器局部构造示意图〕〔ECR离子推动器的多极磁钢〕ECR离子推动器〔栅极后部可见〕ECRECR离子推动器试验系统〔日本〕Performance

IonProductionCostPropellantUtilizationEfficiencyThrustDensityThrustThrustEfficiency〔推动效率=推动器电功率/进排气的机械能之差〕MicrowavePowerPropellantGas

356ｅＶ/ion５1％0.043ｍN/c㎡4.7mＮ37.7％３２ＷＸｅCondition GasFlowRateAccelerationVoltageDeccelerationVoltage

2.45sccm1,000Ｖ-300Ｖ工作中的ionengineion〔2.3cm0.1～1.0mN〕霍尔推动器〔HallThruster〕〔1〕霍尔推动器的构造及工作原理〔1〕霍尔推动器的构造及工作原理霍尔推动器构造示意图之一霍尔推动器构造示意图之二霍尔推动器构造示意图之二〔封闭电子漂移轨道型〕霍尔推动器构造示意图之三放电方式：直流〔只能承受直流〕放电；放电区域：阳极在内部〔上游区〕，阴极在外部〔下游区〕，在上部放电通道为有同轴环形构造；推动剂引入：由阳极引入；磁场的引入：永久磁铁或线圈在环形区产生径向磁场〔几百高斯〔穿插场〕；电子、离子的受力及运动电子：罗伦兹力――沿径向做螺线运动，电子沿轴向的运动速度〔横越磁力线的输运小〕，电子向阳极的运动被阻碍；鞘层静电作用力――绝缘壁鞘层电场排斥、约束电子；放电电场Ez――EzBr，漂移方向沿角向；离子：罗伦兹力：沿径向做螺线运动，但盘旋半径比电子大得多，即离子运动受磁场的影响小〔与磁场凹凸的选择有关！！〕；放电电场Ez――加速至出口，V

2eUmm

,U为放电电压

，产生推力？ i 〔plasma中，均被加速，对推动器都产生力。在ionengine中，只加速离子，由此产生推力。在Hallthruster中，如何只加速一种带电粒子？实现途径：用径向磁场阻挡电子的轴向运动〕推力产生气制：方向参见霍尔推动器构造示意图之一 EBE V z z r r ze

B2 B r r E 电子霍尔电流：

jHall

enVe

Drift

en zee B r轴向电子流所受的推动力：

E

E f je

Hall

Ben e Br

e Be r

en e Br

Be er ren Eze Br

Br

ene

Ez ze推动器线圈所受力，即推动器推力：f fe

沿负z轴方向，在霍尔推进器图示意图之一中，经分析得到的推确实向前 。单位体积离子受到的推力： f enEei e z z留意：Hallthruster由公式也说明这一结果。提高推力方法：增加plasma密度〔n〕、放电电压〔E〕。e z――――――――――――――――――――――――――――――――附：Hall推动器与离子推动器比较及说明离子推动器：在离子推动器的加速栅极区域中，只有离子被加速，尾部喷出的离子流产生推力。Hall推动器：该类没有栅极。在阴阳放电电极之间，电子、离子均被加速，净静电作用力为零〔单个电子、离子受力一样，电子、离子的密度一样〕。电子产生Hall电流，电子Hall电流与电磁铁之间存在安培力。在轴向，电力受到的安培力与静电力抵消〔电子做角向漂移运动，沿轴向几乎〔低气压碰撞影响弱〕没有加速运动〕；离子受电场力加速，在尾部喷出产生推力。总结：Hall推动器中等离子体受力＝电子电场力＋电子安培力＋离子电场力推力溯源：电子电场力＋电子安培力〔＝0〕＋静电力推动电子电场力＋离子电场力〔＝0〕＋电子安培力磁力推动推力类型的本质推究：〔1〕安培力〔罗仑兹〕不作功；〔2HalHallE×B产生，没有电场，没有推力Hall推动器属于静电型推动器――――――――――――――――――――――――――――――阴极中和器：在推动器后部，放射电子，中和喷射出的离子。〔2〕霍尔推动器争论的简史〔2〕霍尔推动器争论的简史1960但后来美国、欧洲觉察霍尔推动器等离子体中不能抑制的不稳定性，实验得到的推动效率低，放弃该方向的争论；离子推动器面世，取得成功；前苏联坚持争论霍尔推动器，觉察虽然等离子体稳定性存在，但不影响推动性能；1971成功地了进展Hall1994年俄罗斯第一次将Hall〔gridHall推动器〕1991〔苏联解体，科技情报外泄〕起，西方重研发霍尔推动器技术。〔3〕霍尔推动器实物照片〔3〕霍尔推动器实物照片〔4〕霍尔推动器的进展趋势：〔4〕霍尔推动器的进展趋势：高比冲进展高比冲霍尔推力器技术途径有2种:一是提高氙推动剂推力器的加速电压(即放电电压);二是要选择更高比冲的的推动剂。D-80、SPT-1和BHT-HD-1000的最大工作电压分别为1700V、1250V、1000V1600～4100s、1600～3700s、1600～3300s。在最研制的NASA-400M推力器上,已经实现了推力器比冲随电压的单调增长。选择推动剂的争论说明,在高比冲状况下,氪为抱负推动剂25%,在NASA-457M上试验验证了1000V下比冲到达4500s、效率64%。在高推力状况下,铋为抱负推动剂,可以相对氙单位质量增加推力26%。NASA使命争论说明,需要兆瓦级2种:进展高功率推力器和承受率或最大尺寸还不清楚,所以无法确定推力器族的最小配制数。NASA-457M已经证明白霍尔推力器可以有效工作在50kW高功率,且推力随功率单调增加。预期通过扩大通道截面和磁场设计,可以把单个霍尔推力器功率扩展到500kW。大推力;而在同步轨道运行阶段需要高比冲3种:第一种是双级化,也就是分别出电离级和加速级,大量试验结果并没有显示出这一技术途径的有效性;其次种是离子电离过程与霍尔加速过程的组合,即承受离子推力器的放电室作为霍尔推力器的前级输入,普林斯顿大学和GRC联合研制的NASA-173GT的试验结果同样令人无望;第三种是霍尔推力器高效工作性能范围的拓展,承受磁场调谐技术解决了800VNASA-400M上实现了推力器效率随电压的单调增长,取得