低功率电弧加热推力器喷管温度与性能.pdfVIP

推 进 技 术 . 年 月 . . 第 卷 第 期 低功率电弧加热推力器喷管温度与性能 潘文霞,黄河激,孟 显,吴承康 中国科学院 力学研究所,北京摘 要:电弧加热推力器利用直流电弧放电加热推进剂,并将加热后的推进剂通过拉瓦尔喷管高速喷出产生 推力。电弧加热推力器的性能与其喷管内部复杂的传热与流动以及能量转换过程密切相关。分别以纯氩、氮、氢 气以及氢/氮混合气为电弧加热推力器的推进剂,在推进剂供给流量 ~ / ,弧电流 ~ ,环境压力低于 的条件下,实时检测了自然辐射冷却及推进剂再生冷却喷管的电弧加热推力器在运行过程中的喷管外表面温 度、弧电压、产生的推力等参数及其变化,综合分析了喷管温度变化对推力器性能的影响。 关键词:电弧加热推力器;喷管温升;电弧特性;性能变化 中图分类号: 文献标识码: 文章编号:? ? , ?,, ? , , , :, ? ... , ,~ ? / .~ . , .: ;; ; 星采用了电弧加热推力器。我国在电弧加热推力器 引 言 研究方面也已有十年以上的历史,一些单位相继建立 电弧加热推力器系统重量轻,推力/功率比值高, 了相关的研究设备,如电弧加热推力器实验装置与性 与现有卫星推进系统兼容性好,羽流污染小,在技术 能测试系统、真空室及相关实验设备等,对一些关键 难度、系统复杂性、可靠性等方面都具有优势。因此, 技术 如小推力测量等 进行了研究,积累了一些实 虽然电弧加热推力器的比冲较霍尔和离子发动机的 验与数值模拟工作经验 。但是,国内外对于推 低,但自年在国际上首次安装在商业通讯卫星 力器内部工作过程的细致研究至今仍旧不多。 上以来发展很快,在多种电推进发动机中 电弧加热推力器的基本工作原理是通过在阴极 有其独特的地位¨ 。其另一突出的特点是很容易实 和兼做喷管的阳极问放电,将推进剂加热到超过万度 现在数瓦以至数十千瓦的极宽的功率条件下运 的极高温,进而在喷管的扩张段膨胀、降温、加速,产 行 。美国政府早在 世纪 年代就曾资助电弧 生较高的比冲。虽然工作原理非常简单,且国外已有 加热推进方面的研究,据统计 ,到 年初,在 不少的研究和应用,但是仅就常用的千瓦级电弧加热 已采用电推进系统的约颗卫星中有三十多颗卫 推力器而言,在喉道直径小于 .,总长度不足 收稿日期:? ;修订日期: ? 。 基金项目:国家自然科学基金 ,, 。 作者简介:潘文霞一 ,女,博士,研究员,研究领域为应用等离子体力学。:. . 第 卷 第 期 低功率电弧加热推力器喷管温度与性能 的喷管中,推进剂气体最高温度梯度超过 / 方法,实时检测发动机产生的推力¨ 。经过仔细实,最大压力梯度高于/ ,推进剂在喷管中 验标定及冷却结构设计,实现了在机械振动和热噪声 的滞留时间为微秒量级,流动从喉道上游的连续介质 下的精确小推力测量,测力精度可达到±。 的亚声速发展为在出口附近的稀薄气体和超声速。 采用两种不同喷管冷却结构的电弧加热推力器: 一 可想而知其间物理/化学过程的复杂性。 种是喷管外表面大部分暴露,以喷管炽热的外表面 此外,低功率电孤加热推力器从气动推进方面来 向环境自然辐射的能量损失来实现对喷管一定程度 看,不同于一般化学燃料火箭的燃烧加温在进入喷管 的降温冷却;另一种结构是推进剂冷气体在进入喷管 的扩张段前业已完成,加热推进剂的电弧会延伸进入 压缩段而被放电电弧加热之前,先流经喷管外壁面, 扩张段;从直流电弧工作特性方面来看,不同于数十 在对喷管进行冷却的同时,推进剂气体的温度得到一 年来已经广泛研究和应用的水冷电极直流电弧等离 定程度的提高,因而称之为再生冷却结构。 子体发生器,由耐高温合金制作的兼做喷管的阳极在 弧电流、弧电压、推力器压缩段压力等传感器与 运行中没有水冷作用来控制电极温度,点火后电极温 计算机数据采集系统连接,对各参数进行实时检测。 度随工作参数和时间而变化,而关于这种变化对其运 输入推力器的电功率为弧电流与弧电压的乘积。以 行状况及性能影响的研究很少 。 量程为~℃和~ ℃的两台单色红外 本文综合实验室以纯氩、氮、氢气以及氢/氮昆合 测温仪实时检测铈钨合金喷管外表面的温度,喷管表 面辐射系数估测为 . 。在喷管出口下游与推力器 气为推进剂,采用自然辐射冷却和推进剂再生冷却两 种喷管结构的电弧加热推力器的实验结果,系统地分 成 。放置水冷铜镜反射平面,将推力器工作时的喷 析了喷管温度及其变化对电弧特性以及推进器性能 管内部情况通过窗口反射出真空腔体,用长焦摄像机 的影响 拍摄喷管内部图像及其变化。选用透过波长为 的滤光片,滤去电弧及羽流中氮、氢等组分的特征 实验方法及条件 谱线,只有热辐射的连续谱在该波长的部分得以通 过,从而使摄像机仅拍摄到该波