免费论文：胶质推力器数值仿真和实验研究

近年来，新的空间任务的发展，对推进系统的推力精度提出更高的要求，以精确改变卫星的相对位置或者消除外部微小干扰。从经济性出发，这些卫星的设计本着低成本、高可靠性、高精简、长寿命的原则，于是开始出现微小卫星星座取代单个卫星执行空间任务。保证这些任务完成的一项重要技术就是胶质微推力器。胶质推力器是没有气体电离的静电加速器，能量消耗很低，所以它的体积很小。另外它的喷雾扩散角很小，从而避免了对航天器的污染。本文建立了一套胶质推力器地面真空试验系统，包括真空系统、推进剂供给与测量系统、微推力测量系统、电源系统、图像采集系统及其他辅助系统，其中采用挤压式供给方法设计的推进剂供给与测量系统解决了胶质推力器研究中液体推进剂微小流量的关键技术，微推力测量技术通过电压、电流及流量参数的测量间接得到。在所建成的实验系统上，完成了胶质推力器大气和真空环境下的实验。在大气环境下，主要研究了电喷雾的电流特性，分析了不同种类的推进剂、工质流量、推力器尺寸、抽取电压等参数对喷雾电流的影响，结果表明：胶质推力器的发射极出口内径、抽取极板内径、发射极与抽取极之间的距离，以及推进剂的物理特性和流量等，都将对推力器的性能产生明显影响。在不影响推力器正常工作的情况下，前三个尺寸越小，产生相同电流特性的锥射流所需要的抽取电压越小；三种不同浓度的碘化钠甲酰胺溶液的喷雾电流几乎一致，且随抽取电压的变化规律一致；随着流量的增加，喷雾电流变大，稳定喷雾存在的电压整体升高了；各流量下喷雾电流随抽取电压的变化规律一致。在真空环境下，进行了胶质推力器的性能实验研究，实验结果表明：随着甲酰胺中碘化钠的加入，溶液的电导率提高，造成喷雾电流迅速增大；随着碘化钠浓度的增加，喷雾电流增大；相应的推力器的比冲和推力均迅速提高；随着流量的增加，喷雾电流变大，稳定喷雾存在的电压整体升高了；各流量下喷雾电流随抽取电压的变化规律一致；在较小的极板间距下，推力器性能更高，推力器稳定状态所需的电压范围整体降低了；抽取极板孔径较小的推力器的比冲和推力均大于孔径较大时的比冲和推力；使用加速极能提高推力器的输入功率，从而提高推力器的比冲和推力，继而提高了推力器的效率。研究中采用了多种常用的工业流体及推进剂进行了电喷雾过程锥射流形成过程的模拟，并对模拟结果和实验结果进行了对比。对比结果表明，本文使用的基于两相流的二维轴对称模型能较好的模拟锥射流的形成过程。模型能较准确的预测锥射流的形状、一定流量下稳定锥射流存在的电压范围，反映锥射流形成过程中锥射流内部、外部的电场、流场、电荷密度等的发展情况。对于锥射流内部流场，多种溶液在一定的流量及电场强度下，均出现了顺时针的漩涡。对胶质推进器粒子加速过程进行数值仿真，包括真空条件下以及高空低气压条件下两种工作环境。真空条件下粒子运动的数值模拟计算主要分析真空度、极板电压、流量变化及不同推进剂对喷雾扩散角、液滴轴向速度及对推进器性能的影响，结果表明：随着推进器工作环境压力的降低，液滴的轴向速度增加，推进器性能增加，喷雾扩散角变化较小；当工作环境压力低于一定值时，其对喷雾的影响很小，推进器性能基本保持不变；同一电压下，随着推进剂流量增大，喷雾扩散角增大，液滴轴向速度减小，推进器推力增大，比冲减小；同一流量下，随着电压增大，喷雾扩散角减小，液滴轴向速度增大，推进器推力增大，比冲增大；模拟计算出的推力和比冲与文献中的实验数据符合较好。对单针推力器的羽流模拟结果表明，在抽取极板后面，带电液滴的空间电荷会形成空间电场，但此空间电势仅为2V左右，远小于离子发动机的50V~80V的水平。模拟结果也表明，此电场并没有使得部分液滴飞回航天器或极板，造成对航天器的污染。本文采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的研究方法，对胶质推力器进行了系统而深入的研究，为胶质推力器进一步研究和工程应用提供基础。

来源：半壳优胜育转载请保留出处和链接！

本文链接：http://www.87cpy.com/264060.html