脉冲等离子体推力器羽流数值模拟与实验研究

论文摘要

脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster, PPT）作为一种极具竞争力的电推进系统,具有比冲高、功耗低、结构简单、重量轻、可靠性高等优点,可以广泛应用于微小卫星的姿态控制、位置保持、阻力补偿、卫星编队飞行等任务,是近年来微小卫星推进技术研究的热点和重要方向。将PPT集成运用到航天器上需要掌握羽流特性与分布规律,评估羽流对航天器的潜在影响。本文使用一种混合算法对PPT羽流进行了模拟,以直接模拟蒙特卡罗（Direct Simulation Monte-Carlo,DSMC）方法模拟中性粒子的运动和碰撞,以粒子网格法（Particle-in-Cell,PIC）模拟离子的运动,将电子模拟为无质量流体。模拟结果与实验结果比较表明,算法有效合理,能够用于对PPT羽流进行预测和分析。研究结果表明:放电过程中羽流不断膨胀加速,中性粒子以一个相对紧凑的气团膨胀,而离子在轴线方向上会出现两个有着不同运动速度的高密度区域;羽流场中存在大量由电荷交换碰撞产生的低速离子和高速的中性粒子;离子和中性粒子存在回流污染,受电场的影响,离子比中性粒子的膨胀区域大,而且离子的回流速度大于中性粒子的回流速度。阐述了朗缪尔探针诊断的基本原理,讨论了使用朗缪尔单探针诊断PPT非稳态羽流的具体方法,设计了用于PPT羽流诊断的朗缪尔探针触发电路。使用四极杆质谱仪对PPT羽流的组成成分进行了分析测量,结果表明羽流中存在C、F、CF、CF2、CF3和CF4等推进剂烧蚀产物及羽流溅射物。采用高速摄影仪拍摄了PPT放电通道内的放电图像,对图像进行分析显示, PPT工作过程中存在滞后蒸发现象;正向电流放电阶段产生的推力大于电流反向后的推力;羽流中的离子偏向阴极喷出,推力器会产生一个指向阳极的推力分量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 PPT 研究概述
• 1.2.1 工作原理与特点
• 1.2.2 发展历史与应用研究现状
• 1.2.3 羽流研究进展
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 DSMC/PIC 流体混合算法的基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 DSMC 方法
• 2.2.1 DSMC 方法概述
• 2.2.2 DSMC 方法的计算流程
• 2.2.3 DSMC 方法中碰撞的计算
• 2.3 DSMC/PIC 流体混合算法
• 2.3.1 PIC 方法概述
• 2.3.2 PIC 方法的计算流程
• 2.3.3 流体电子模型
• 2.3.4 电势求解方法
• 2.3.5 DSMC/PIC 流体混合算法的计算流程
• 2.4 小结
• 第三章 PPT 羽流的DSMC/PIC 流体混合算法数值模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 模拟条件
• 3.2.1 模拟对象及区域
• 3.2.2 边界条件
• 3.2.3 计算输入参数
• 3.3 模拟结果及分析
• 3.3.1 与实验结果的比较
• 3.3.2 结果分析及讨论
• 3.4 小结
• 第四章 PPT 羽流的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 朗缪尔探针诊断方法研究
• 4.2.1 朗缪尔探针测量原理
• 4.2.2 PPT 羽流的朗缪尔探针诊断方法
• 4.2.3 朗缪尔探针触发电路设计
• 4.3 羽流质谱分析
• 4.4 高速摄影研究
• 4.4.1 实验方法与结果
• 4.4.2 结果分析
• 4.5 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果