第9章 脉冲等离子体推力器_PPT_

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1、第09章脉冲等离子体推力器(PPT)9.1发展过程及主要类型脉冲等离子体推力器(PulsedPlasmaThruster，简称PPT)是等离子体推力器的一种类型。PPT的概念早在上世纪30年代就提出了。50年代之后，为了适应超音速电动力学和非平衡等离子体性质的研究以及作为空间飞行器控制系统动力源的等离子体加速器的研究，发展了结构不同、形式各异的脉冲等[1]离子体源或加速器。例如，1956年，BostickW.H.首先提出了用金属作推进剂的PPT。1957年，[2]L.A.Artsimovitch及其同事研究了用金属丝作推进剂和平行轨道电极结

2、构的脉冲等离子体加速器。[3]后来，又出现了用气体和爆炸丝的Kolb或T形管方案。而S.W.Kash和W.L.Starr系统地研究了用爆[4,5][6,7]炸丝或电极烧蚀的同轴电极PPT。B.A.Osadin对一级和二级端面烧蚀型PPT进行了试验。[8]A.S.Gilmour和D.L.Lockwood则研究了用金属镁、铅、锡作阴极的平面型脉冲真空电弧推进装置…等。对这些装置，若按采用的工质(推进剂)划分有气体，液体和固体三种类型，如果按照电极的结构又[9]可分为平行轨道式，同轴式，钮扣式，T管及线性压缩式等种，如图9.1所示。PPT按工质分

3、按电极结构分气体液体固体平行同轴钮扣T管线性轨道压缩图9.1PPT的分类采用气态推进剂(氮、氬气)的PPT，因推进剂流量与投入的加速能量相互独立，容易在大功率下运行。但是由于推进剂投入与加速能量投入难于同步，推进剂利用率低，而且快速动作控制阀门不易解决，应用受到限制。用液态水银和固体金属锌作推进剂，由于喷射流的沉积物导电性能都不理想。直到找到固体氟塑料(主要是聚四氟乙烯，俗称太氟隆，英文名为Teflon)作推进剂，烧蚀型脉冲等离子体推力器(简写成APPT)或称太氟隆脉冲等离子体推力器(简写成TPPT)便很快获得了应用，而且成为第一个应用于航

4、天器控制的电火箭发动机。这里就以它作为PPT的代表加以介绍。9.2TPPT的工作原理和特点在巳获得应用的TPPT中，有同轴电极型和平行轨道电极型两种结构，其结构原理图如图9.2所示。每种结构又有单喷口或双喷口的形式。虽然第一个上天的是同轴型TPPT，但用得较多的是平行轨道电极型推力器（图9.2b）。一般说，平行轨道结构的TPPT，其推进剂供给结构简单；电磁加速作用比电热加速大，比冲高；而同轴结构由于推进剂包围着电弧，烧蚀量大，推力大；但其电热加速作用比电磁加速显著，比冲稍低。图9.2PPT的常用电极结构1它的工作原理可用图2b来说明，一对轨

5、道形电极直接与储能电容器相连。呈矩形截面的太氟隆推进剂在供给弹簧的作用下,通过两电极之间的空间，定位于阳极的支承肩上。阴极上装有一个用于引发放电的奌火塞，电极两侧是绝缘侧壁。工作時，首先使储能电容器充电到它的工作电压（1～3kv），该电压也加到推力器的电极上。然后，按要求放电奌火电路使奌火塞奌火，即在电极与推进剂表面之间产生一微量放电。微量放电产生的电子在电极间的电场力作用下向阳极加速并获得能量。这些具有相当能量的电子与推进剂表面碰撞，分解和离化一些工质，生成更多的电子。新生的电子又被加速和碰撞工质，…如此下去，呈现雪崩过程，从而使储能电容

6、器在两电极之间产生沿工质表面的大电流34(10-10A)电弧放电。放电形成的高温电弧烧蚀掉工质表面很薄的一层並把它分解、离化成等离子体。在热力和自感磁场产生的电磁力作用下，等离子体沿平行轨道电极加速喷出，产生一个脉冲的推力。电容器放电后，工作随即停止或接着进行下一循环。工质端面一经烧蚀，无需外界干予，供给弹簧自动地把工质送到规定的位置。由此可见，推力器的工作过程包括四个阶段：即电容器充电-储能；点火塞点火；放电-形成电弧烧蚀工质产生等离子体；等离子体加速和喷射阶段。这四个阶段都是在几个到十几个微秒的时间内完成的。从上述工作过程可知，存在于电

7、极之间的带电粒子将受到三种力的作用：一是电磁力，它使等离子体沿电极出口方向加速；二是气动压力的作用，受热膨胀；三是电极间电场力的作用，电场力只对放电和维持放电产生作用，对产生推力的加速没有影响，显然，对于不带电的中性粒子，只受气动压力的作用。这种推力器的主要特点是：①小功率下的高比冲能力。例如：运行功率低到5W，比冲仍达300s；功率在20W時，比冲达800-1200s，这是其它电推力器目前难于做到的；②结构简单。推进剂是固体氟塑料，它容易获得、能在高真空和极低温度的环境下长期存放，贮存和供给无需昂贵的贮箱、管道、阀门和特殊处理，只有弹簧一

8、个活动部件。整个系统体积小、重量轻、安全可靠。③脉冲工作（脉冲时间为微秒到十多微秒量级）。运行时不需要预热時间，控制(数字和自主控制)方便灵活。脉冲功率很大，但消耗的平均功率不多