肼催化分解产物电弧加热发动机的实验研究

论文摘要

电推进系统正以其优越的性能逐渐取代传统的化学推进系统。作为电推进的一种形式,电弧加热发动机具有较高的比冲和推力/功率比以及良好的推进剂普适性,已经成为国际研究和应用的重点。目前,肼电弧加热发动机已经成功得到了应用。由于肼电弧加热发动机与单组元化学推进系统具有较好的兼容性和系统集成性,所以在现有成熟的肼单组元化学推进系统上进行电热增强,对于提高卫星的运行寿命具有重要的战略意义。国外已经积极的开展了这方面的研究,国内对电弧加热发动机的研究还处于初级阶段,和其他国家的发展具有一定差距,因此现在急需开展肼催化分解产物电弧加热发动机的研究,这对于下一步的工程样机研究和卫星应用具有重要的意义。本文设计了一种低功率的电弧加热发动机,完成了发动机的加工和组装,并建立了一套电弧加热发动机的试验平台。利用该试验平台,在真空环境下,分别采用氮气(N2)、氢气(H2)、氨气(NH3)及其混合气体(模拟肼的分解产物)作为推进剂,系统地测试了电弧加热发动机在不同工况下的性能参数,对比了不同单一工质对推力器性能的影响,并分析了以不同模拟肼催化分解产物作为推进剂时电弧加热发动机的性能变化。在相同流量下,以氨气为推进剂时发动机的各项性能参数变化规律和氮气相同,而性能指标要优于氮气。氨气是能够获得高性能的推进剂,适当比例的氮氢氨混合气可以获得较好的性能。混合工质中氨气比例较大时,可使电弧加热发动机的性能提升。对氮气、氢气、氨气的混合气体进行预加热(模拟肼催化分解产物状态),对比了加热前后电弧加热发动机性能的变化,比较了混合工质成份变化和改变预热温度对发动机性能的影响。本文还建立了新的电弧加热发动机的羽流诊断系统,用光谱法测量了以肼催化分解产物为推进剂的电弧加热发动机羽流温度。用谱线的绝对强度法和玻尔兹曼图法得到了不同波长对应的羽流的激发温度和平均激发温度。诊断结果表明羽流处在热力学非平衡态下。通过试验结果的对比,讨论了热力学非平衡态对测量结果的影响,并分析了推进剂成分变化对羽流温度的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 电推进简介
• 1.1.1 星上推进系统概述
• 1.1.2 电推进的特点、分类及发展前景
• 1.1.3 电弧加热发动机概述
• 1.2 电弧加热发动机性能及温度测试的研究与应用现状
• 1.3 以肼为工质电弧加热发动机研究的状况和意义
• 1.3.1 以肼为工质电弧加热发动机的优势
• 1.3.2 模拟肼及催化分解产物电弧加热发动机研究状况
• 1.3.3 肼催化分解产物电弧加热发动机实验研究的意义
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 电弧加热发动机的设计与实验系统
• 2.1 电弧加热发动机的设计思想
• 2.2 电弧加热发动机的结构设计
• 2.2.1 阴极
• 2.2.2 阳极
• 2.2.3 绝缘与密封
• 2.3 电弧加热发动机实验系统
• 2.3.1 真空系统
• 2.3.2 推进剂供给系统
• 2.3.3 电源系统
• 2.3.4 加热测温系统
• 2.3.5 小推力测量系统
• 2.3.6 其他参数测量系统
• 第3章 模拟肼催化分解产物电弧加热发动机的性能测试
• 3.1 肼的物理性质及其催化分解
• 3.2 性能测试方案与步骤
• 3.3 发动机性能测试结果与分析
• 3.3.1 冷态时的性能
• 3.3.2 以氮气与氨气为工质时对发动机性能的比较
• 3.3.3 氮氢氨混合气的性能分析
• 3.3.4 氮氢氨混合气预加热对发动机性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 电弧加热发动机羽流的温度诊断
• 4.1 光谱诊断分析
• 4.1.1 等离子体的辐射强度
• 4.1.2 谱线绝对强度法
• 4.1.3 谱线相对强度法
• 4.2 实验系统的建立
• 4.2.1 光学成像系统
• 4.2.2 光栅光谱仪
• 4.2.3 谱线接收装置
• 4.2.4 三维坐标仪
• 4.2.5 系统标定
• 4.3 光谱温度诊断
• 4.3.1 谱线的选取
• 4.3.2 谱线分析
• 4.3.3 光谱温度诊断结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果