微腔放電推進器放電特徵的數值模擬及實驗研究

《微腔放電推進器放電特徵的數值模擬及實驗研究》是依託大連理工大學,由夏廣慶擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：微腔放電推進器放電特徵的數值模擬及實驗研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：夏廣慶

項目摘要

隨著微納衛星的迅猛發展和成功套用，運行功率在10W以下的電推進器研製受到廣泛關注並成為新的研究熱點之一。微腔放電推進器（MCDT）是一種先進、新型的微電熱式推進裝置，已實際用於微納衛星的動力系統。開展MCDT放電特徵的數值模擬及實驗研究，是明晰MCDT工作機理和成功設計MCDT的重要研究內容。本項目針對MCDT中微腔放電的物理過程建立較完善的二維自洽場物理模型，其中電漿的產生和輸運過程採用漂移-擴散近似流體模型進行處理，並考慮中性氣體的流動和加熱，同時開展MCDT的放電實驗，重點研究MCDT中非平衡電漿與可壓縮流動相互作用、放電特徵和過程、羽流場分布等，進一步預示MCDT的比沖和推力，並研究不同輸入功率和壓強/流量條件下，MCDT伏安特性、電漿特性參數和推進器巨觀性能的變化規律，從而為進一步最佳化推進器的運行參數和結構設計提供理論依據，為我國自主研製高性能MCDT提供理論指導。

結題摘要

近年來，微空心陰極放電（MHCD）技術的發展為研製適用於微小衛星的先進新型微推進器提供了可能。結合微空心陰極的自身結構和放電特性，可設計為一種新穎的微腔放電推進器（MCDT），利用納星上可提供的1~10 W的功率而提高微推進裝置的性能。基於求解漂移-擴散近似的電子和離子的輸運方程，再與包括空間電荷在內的電場的泊松方程以及中性氣體的溫度方程相耦合，給出了放電的二維自洽流體模型，用於研究MHCD的過程和特性。通過數值計算得出了氬氣壓強為100 Torr時，MHCD初始階段放電過程中電勢分布、電子數密度分布，離子數密度分布和電子溫度分布等重要參數。從電勢雲圖中可以明顯看到放電最初始階段微空心陰極內主要為軸向電場，之後由於陰極鞘層的形成而轉變為徑向電場，徑向電場加速孔內電子在陰極鞘層間的來回運動，增大了電離過程。電子數密度和離子數密度變化規律相似，最初始階段峰值密度位於孔內陰極與電介質附近和陽極附近兩個區域，隨著時間的變化，陽極處的電子數密度減小，峰值向孔中心線上的陰極區域推移，峰值密度達到1012~1013 cm-3。氬氣壓強為100 Torr時，氣體溫度範圍主要在400~600 K之間，加熱機制由離子功率沉積決定，且氣體溫度隨著電子/離子數密度的增加而增大，該結論與實驗結果相一致。數值模擬給出了實驗研究中難以觀測到的初始階段的放電變化過程，合理的解釋了基本原理。實驗研究了MHCD的電流-電壓特性。結果認為，在較低的壓強下（40~60 Torr），整個電流-電壓特性分為反常輝光放電（典型的電流值小於0.3 mA）、自脈衝機制（平均電流的上限值約為1 mA）和正常輝光放電三個區間，在更高的壓強條件下，未觀測到反常輝光放電區域，放電直接進入自脈衝機制。通過實驗研究和計算結果可以研製成MCDT推進器，該推進器的工作原理是採用直流MHCD電離並加熱通入放電室內的工質氣體，被加熱的氣體再通過拉法爾微噴管膨脹噴出產生推力。由於在微放電電漿中加熱了工質氣體，因此其性能可大大高於冷氣推進。初步計算得出當孔直徑為100 μm，放電室壓強為50~750 Torr，輸入功率為0.15~2 W，流量範圍在0.15~1.5 mg/s時，推進器的推力範圍為幾十~上千μN，以氬氣為工質比衝量級約為600~1000 N•s/kg，以氦氣為工質比衝量級約為3000 N•s/kg。