小功率氨电弧推力器性能研究

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低功率肼推进剂电弧加热推力器(Arcjet)在国际上已有较成熟应用。由于受小卫星的质量与可提供电功率等因素的制约,近年来100W级的小功率Arcjet得到了广泛的关注。氨易于液化、密度高、携带方便,是一种有良好应用前景的推进剂。本论文工作采用实验室自行研制的小功率电弧推力器,以氨为推进剂,实现了电弧推力器的长时间稳定运行,对推力器的运行参数与性能的关联进行了测量和分析,并分析了喷管内放电状态对推力器性能的影响。  本研究的实验在已有的真空实验室平台上进行,真空腔直径1m,长1.4m,真空泵组极限排气量3500L/s,极限真空10-4Pa。实验条件范围为弧电流120mA~260mA,气流量200mL/min~600mL/min。电弧推力器喷管的喉道直径0.3mm、喉道长度0.5mm,改变扩张比和阴极尖到喉道的间距,对电弧推力器进行了性能测试。采用测量羽流冲击力的方式,得到推力器在不同工况条件下的推力数据,结合采集的弧电流、弧电压及气流量等工作参数,推算出推力器的比冲和推力效率等性能参数。采用铜镜反射和ICCD拍照相结合的方法,对推力器喷管内的放电状态进行拍摄。  研究结果表明,在小功率氨电弧推力器运行的近10000s时间内,性能稳定。随着输入电功率的增加,喷管略有红热,肉眼几乎观测不到羽流。推力器产生的推力随气流量的增加而增大;在相同气流量条件下,输入功率越大,比冲越高。在本研究的实验参数范围内,电弧推力器比冲在200s~350s之间;推力效率的总趋势是随比功率的增大而降低;在本实验参数范围内,当比功率相同时,推力效率随气流量的增加而增加。在输入功率60W~95W、气流量300mL/min~600mL/min的条件下,推力器A(扩张比300、阴极尖与喉道间距1.7mm)的推力效率介于13.5%~43.6%之间。压缩段压力随气流量的增加而增大,弧电流变化对压缩段压力的影响较小。推力器呈下降的伏安特性,弧电压变化范围在400V~600V之间,远高于1kW级氨电弧加热推力器100V量级的电压值。在实验参数范围内,放电电弧通过喉道,弧根均匀地周向贴附于阳极喷管扩张段的内壁面。
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