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大功率等离子体推进器的推力比冲测试研究

大功率等离子体推进器的推力比冲测试研究

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作者：张潞鹏中国科学技术大学

学位级别：硕士

随着空间科学技术的不断发展,空间电推进技术由于其独特优势成为了研究热点,其中大功率、大推力电推进器是执行深空探测以及空间货物运输等航天任务的必要选择,是当前空间电推进技术的主流研究方向之一。对电推进器进行准确的推力比冲... 详细信息

随着空间科学技术的不断发展,空间电推进技术由于其独特优势成为了研究热点,其中大功率、大推力电推进器是执行深空探测以及空间货物运输等航天任务的必要选择,是当前空间电推进技术的主流研究方向之一。对电推进器进行准确的推力比冲测试对其研究开发有着重要的指导作用,在其系统设计及任务规划中是必不可少的一环。本论文主要工作是针对课题组自主研制的大功率vasimr型电推进器STAR装置,通过推力测量以及推力测算两种方式开展了推力、比冲测试研究。推力测量方法是利用一套靶式推力测试装置对STAR推进器直接进行推力和比冲测试。将装置固定于STAR推进器喷口处,喷出的等离子体击打到靶面,使靶面绕着挠性枢轴发生偏转,通过位移传感器测量靶面的偏转量,根据测力装置偏移量和推力的线性关系,实现对推力的精确测量。在对推进器进行推力测试之前,对测力装置进行了砝码标定,标定结果的线性拟合度为0.9998,标准误差为0.01943。在靶式测力装置对STAR推进器的测试结果中,位移传感器受射频干扰的影响,测试信号发生严重漂移,无法准确获得推力信号。针对射频干扰的问题,尝试对添加屏蔽、将传感器接地以及添加隔离电源等措施,均未能有效解决。更多有效的解决措施还需在后续的工作中进行尝试和验证。推力测算法则是利用羽流区等离子体诊断参数,代入推力计算模型计算推力和比冲。首先,根据STAR推进器的工作原理以及工作特性,建立利用等离子体密度、离子能量为基础的推力计算模型,并由此设计开发阻滞电位能量分析仪(Retarding Potential Analyzer,RPA)诊断装置用于获得等离子体的速度,研制朗缪尔探针获得等离子体密度。在诊断测试中通过径向扫描获得了等离子体密度以及速度的空间分布,并依此计算出了 STAR推进器不同入射功率条件下的推力和比冲。测试结果表明,在入射功率为30kW时,STAR的羽流等离子体密度在轴线距离喷口20 cm处达到了3.77×1018m-3,在径向上呈高斯分布;在入射功率为50 kW时,离子能量达到了 181.8 eV。根据测量结果计算获得了STAR在不同入射功率下的推力和比冲,在入射功率为50 kW时,推力为1.19 N,其不确定度为5.67%,比冲为3074.6 s,其不确定度为2.66%。本文最后对测试结果进行了分析和讨论,并提出相应的解决方法和研究方案,为后续研究指明了工作方向。

关键词： vasimr 电推进推力测量 RPA 推力测算

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