用于脉冲等离子体推力器烧蚀过程仿真的新型机电模型.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．21(2013)210202用于脉冲等离子体推力器烧蚀过程仿真的新型机电模型术张华十吴建军张代贤张锐何振(国防科技大学，航天科学与工程学院，长沙410073)(2013年5月12日收到；2013年8月5目收到修改稿)用于脉冲等离子体推力器(PPT)工作过程仿真的一维机电模型，具有模型简单、计算周期短等优点，在PPT设计过程中得到了广泛应用．本文针对机电模型假设工质烧蚀质量为常数和不考虑烧蚀过程这一局限，提出了一种采用Teflon一维烧蚀模型计算工

2、质烧蚀质量的改进模型，并以LES．6PPT为研究对象进行了仿真．通过与LES一6PPT实验数据进行对比，仿真结果与实验数据符合，充分验证了模型的可靠性．此模型能够对Teflon工质在PPT工作过程中的温度变化和烧蚀过程进行仿真，弥补了机电模型忽略烧蚀过程对仿真结果所造成的影响，同时，此模型依然保持了机电模型简单易于实现的优点，对于脉冲等离子体推力器的设计具有重要意义．关键词：脉冲等离子体推力器，机电模型，烧蚀模型，数值仿真PACS：02．60．Cb，52．75．Di，36．40．Gk，05．70．一

3、aDOI：10．7498／aps．62．210202短设计周期，精度稍低的一维数值模拟手段依然是1引言必要的．目前，针对PPT数值研究的一维数值模型主要近年来，微小卫星以其体积小、成本低、研制是机电模型．如图1和图2所示，机电模型将PPT周期短等优点，在通信、遥感、军事侦察等领域得等效成一个LRC电路和等离子体加速过程的动力到了广泛应用．电推进系统的比冲范围特别适合用学系统来模拟PPT的工作过程[17]．虽然其模型简作微小卫星的推进系统，目前，我国已经对电推进单，但仿真结果和实验结果符合较好，结合实

4、验数系统进行了大量的相关研究[1-9】．采用固体推进剂据可以预测PPT工作参数对其性能的影响，对于推的烧蚀型脉冲等离子体推力器是电推进的一种，具力器设计具有很大的指导作用，是PPT研究的一种有结构简单、可靠性高、推力范围广、比冲高等重要手段．优点，特别适合用于微小卫星的位置保持、阻力补1970年，Vondra在保持机电模型不变的基础偿、星座编队飞行等空间飞行任务[10-14』．如今，脉上，考虑气动力的影响，在运动方程中加入了气动冲等离子体推力器已经在多个空间飞行任务中得力项_18]．1982年，魏荣

5、华考虑到放电通道内等离到成功应用，虽然其结构简单，但工作过程涉及多子体的实际行为，将通道内电流片厚度视为随放种电热、电磁的复杂反应，很多过程的内在机理尚电电流改变的，在机电模型的基础上建立了“扩散未完全清楚．现在和未来的一段时间内，为了探寻模型”【19]．2004年，Gatsonis和Demetriou为了优化其工作机理还需要大量的研究工作．对脉冲等离子PPT的喷气速度，在机电模型的运动方程中加入了体推力器的研究主要有数值研究和实验研究，虽然阻尼和控制项建了一个反馈控制器_20_．2005年，目前已

6、经有高精度三维仿真模型应用于脉冲等离Laperriere更加详尽地对等离子体电阻以及通道内子体推力器的研究[15，16]，但是为了降低成本和缩电感模型进行了推导，建立了一种改进的机电模国家自然科学基金(批准号：11172327)资助的课题十通讯作者．E—mail：zhannl0000@163．corn⑥2013中国物理学会ChinesePhysicalSocietyttp：／／wulixb．iphu．nc．c物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．21(2013)210202型-2l_

7、．2011年，Yang假设工质烧蚀质量随时间变MHD模型对PPT工作过程进行了仿真．但是，相对化，并采用经验公式【22]进行计算，对机电模型进行于机电模型，基于MHD模型的PPT工作过程仿真了改进[23]．在上述的机电模型中，工质烧蚀质量一成本大、计算周期长．般采用常数或者经验公式进行计算，而在PPT的实际工作过程中，工质烧蚀质量与推力器的具体工作过程密切相关，工质烧蚀质量是不断增加的，不同时刻烧蚀的工质所受到的加速过程也完全不同【241．并且，工质的烧蚀过程对推力器的性能具有很大的影响【25]．因

8、此，上述机电模型与物理事实差别较大，无法反映推力器工作过程中工质烧蚀的具体过程，存在一定的局限性．图2PPT等效电路图针对如今机电模型和烧蚀模型的局限性，本文提出了一种带一维烧蚀模型的机电模型，将PPT工作过程和Teflon工质烧蚀过程相耦合进行数值仿电容真，贴近物理事实，能更加准确的反映物理现象，揭示PPT工作过程的内在机理，同时具备原机电模型图1PPT结构示意图结构简单、计算周期短等优点．聚四氟乙烯(PTFE，通常称为Teflon)具有优良的介电特性、热力学特性、