脉冲等离子体推力器(PPT)性能研究literature
脉冲等离子体推力器等离子体羽流的光谱研究
脉冲等离子体推力器等离子体羽流的光谱研究人类在科学技术发展的道路上走得越来越远，在太空探索中，脉冲等离子体推力器等离子体羽流技术逐渐受到了广泛的重视。
脉冲等离子体推力器以等离子体羽流方式产生推力，可以帮助飞船和卫星加速，从而实现更高效的太空绕行。
而该技术的光谱特性对于研究等离子体推力器的性能有着至关重要的意义。
本文将以《脉冲等离子体推力器等离子体羽流的光谱研究》为研究主题，探讨脉冲等离子体推力器等离子体羽流发射出来的光子（即等离子体推力器等离子体羽流）的光谱特性，以及这种特性对太空探索的影响。
二、技术原理脉冲等离子体推力器等离子体羽流的技术原理涉及到三个主要方面：物理通道、脉冲驱动器和等离子体羽流的形成及其光谱特性。
（1）物理通道等离子体推力器的工作原理需要一个物理通道，以便于其中的等离子体能够在通道中自由移动。
通常，这种物理通道是由一组碳纤维、碳管或金属管制成的，这些管道的直径可以调节，从而控制等离子体推力器的性能。
此外，物理通道的尺寸、形状和结构也会影响等离子体推力器的性能。
（2）脉冲驱动器等离子体推力器的工作原理依赖于脉冲驱动器，脉冲驱动器可以产生一系列脉冲，每一个脉冲都可以在一定时间内产生一股巨大的能量。
这股能量可以把等离子体从物理通道中触发出来，并在物理通道外形成一个等离子体羽流。
（3）等离子体羽流的形成及其光谱特性等离子体羽流是由一系列电离气体中漂浮的离子、电子和原子组成的，当这种电离气体与脉冲驱动器的脉冲发生作用时，会产生推力。
当等离子体羽流形成后，也会释放出一系列不同波长的光子，这些光子将组成这种等离子体羽流的光谱特性，从而影响等离子体推力器的性能。
三、实验研究由于脉冲等离子体推力器等离子体羽流的性能与其光谱特性密切相关，因此本文进行的实验研究的主要目的是研究不同参数条件下脉冲等离子体推力器产生的等离子体羽流的光谱特性，以及这些特性对其性能的影响。
（1）实验研究的内容本次研究的内容包括：辐射强度的测量、等离子体羽流的能量分布测量和等离子体羽流的光谱特性测量。
脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究
中国空间科学技术A u g２５㊀２０２０㊀V o l ４０㊀N o ４㊀１１Ｇ２１C h i n e s eS p a c eS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yI S S N １０００Ｇ７５８X ㊀C N １１Ｇ１８５９/V h t t p :ʊz g k jc a s t c n D O I :１０ １６７０８/jc n k i １０００Ｇ７５８X ２０２０ ００４０脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究杨三祥∗,刘超,王尚民,冯杰,陈娟娟,吴辰宸,贾艳辉,郭宁,耿海兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州７３００００摘㊀要:为了对脉冲等离子体电磁加速机理有清晰的认识,为后续推力器性能的优化和产品的小型化提供理论基础,需要对脉冲等离子体推力器的特性进行数值研究.利用包含电容㊁电感㊁平行板电极㊁等离子体的一维集成电路模型,开展了脉冲等离子体推力器的数值模拟研究.通过改变初始放电电压和电极间距的大小,系统地研究了脉冲等离子体推力器的初始放电电压㊁电极间距对推力器电磁加速的影响.结果表明,在其他参数不变的情况下,推力器的推力㊁比冲㊁元冲量,以及等离子体的密度㊁温度随推力器初始放电电压的增加而增加;同样,增加电极间距也能够提高推力器的推力㊁比冲;然而,电极间的阻抗会随电极间距的增加而增加,导致推力器的点火难度也随之增加,因此脉冲等离子体的电极间距存在一个最优值.关键词:电推进;脉冲等离子体推力器;数值研究;电磁加速;洛伦兹力中图分类号:V ４３０㊀㊀㊀㊀文献标识码:A收稿日期:２０１９Ｇ１２Ｇ０９;修回日期:２０１９Ｇ１２Ｇ２４;录用日期:２０２０Ｇ０３Ｇ１０;网络出版时间:２０２０Ｇ０３Ｇ２６㊀１１:０１基金项目:甘肃省科技计划资助基金(１８J R ３R A ４１２);百千瓦级大功率霍尔电推进系统研制(Y S C ０７３１)∗通信作者．T e l ．:１５８９８１２２０９５㊀E Ｇm a i l :y a n gs x _５１０＠１６３．c o m 引用格式:杨三祥,刘超,王尚民,等．脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究[J ]．中国空间科学技术,２０２０,４０(４):１１Ｇ２１．Y A N GSX ,L I U C ,WA N G S M ,e ta l ．N u m e r i c a l s t u d y o fe l e c t r o m a gn e t i ca c c e l e r a t i o n m e c h a n i s mf o r p u l s e d p l a s m at h r u s t e r [J ]．C h i n e s eS p a c eS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,２０２０,４０(４):１１Ｇ２１(i nC h i n e s e )．N u m e r i c a l s t u d y o f e l e c t r o m a gn e t i c a c c e l e r a t i o nm e c h a n i s mf o r pu l s e d p l a s m a t h r u s t e r Y A N GS a n x i a n g ∗,L I UC h a o ,W A N GS h a n g m i n ,F E N GJ i e ,C H E NJ u a n ju a n ,W UC h e n c h e n ,J I AY a n h u i ,G U ON i n g,G E N G H a i S c i e n c ea n d T e c h n o l o g y o n V a c u u m T e c h n o l o g y a n d P h y s i c s L a b o r a t o r y ,L a n z h o uI n s t i t u t eo f P h y s i c s ,L a n z h o u ７３００００,C h i n aA b s t r a c t :I no r d e r t o g e t a c l e a r u n d e r s t a n d i n g o f e l e c t r o m a gn e t i c a c c e l e r a t i o nm e c h a n i s mf o r p u l s e d p l a s m a t h r u s t e r s ,a n do f f e rat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n f o rt h e p e r f o r m a n c e o pt i m i z a t i o n a n d m i n i f i c a t i o n o ft h et h r u s t e r ,n u m e r i c a l s i m u l a t i o no f t h e p u l s e d p l a s m a t h r u s t e r c h a r a c t e r i s t i c i s n e c e s s a r i l y t ob e r e s e a r c h e d ．I n t h i s p a pe r ,a o n e Ｇd i m e n s i o n a l i n t e g r a t e d c i r c u i tm o d e l t h a t i n c l u d e s t h e c a p a c i t a n c e ,i n d u c t a n c e ,e l e c t r o d e s a n d p l a s m a i su s e dt on u m e r i c a l l y s t u d y p u l s e d p l a s m at h r u s t e r s ．T h ee l e c t r o m a g n e t i ca c c e l e r a t i o n m e c h a n i s m of p u l s e d p l a s m at h r u s t e r si ss y s t e m a t i c a l l y i n v e s t ig a t e db y v a r y i n g th ei n i t i a l d i s c h a r g e v o l t a g e a n d s e p a r a t i o nd i s t a n c e o f t h e e l e c t r o d e s ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e t h r u s t ,s p e c i f i c i m p u l s e ,i m p u l s eb i t o f p u l s e d p l a s m a t h r u s t e r s ,a n d t e m p e r a t u r e a n dd e n s i t y of p l a s m a i n c r e a s ew i t h i n i t i a l d i s c h a rg ev o l t a g e ．S i m i l a r l y ,th et h r u s ta n ds p e ci f i ci m p u l s eo ft h r u s t e r sa l s oi n c r e a s e w i t ht h es e p a r a t i o n d i s t a n c e o f e l e c t r o d e s ．H o w e v e r ,t h e i g n i t i n g d i f f i c u l t y o f t h r u s t e r i n c r e a s e ss i n c et h er e s i s t a n c eb e t w e e ne l e c t r o d e s i n c r e a s e sw i t h t h e e l e c t r o d e s s p a c i n g ．T h e r e f o r e ,t h e r e i s a no pt i m a l v a l u e o f d i s t a n c e b e t w e e n e l e c t r o d e s o f t h e p u l s e d pl a s m a t h r u s t e r ．K e yw o r d s :e l e c t r i c p r o p u l s i o n ;p u l s e d p l a s m a t h r u s t e r ;n u m e r i c a l s t u d y ;e l e c t r o m a g n e t i c a c c e l e r a t i o n ;L o r e n t z f o r c e１２㊀中国空间科学技术A u g ２５㊀２０２０㊀V o l ４０㊀N o ４随着微电子技术和微加工技术的发展和成熟,具有质量轻㊁体积小㊁发射和运行成本低㊁研制周期短等特点的微小卫星研究和应用日渐升温.卫星要实现小型化和轻量化,其分系统就必须具备小型化和轻量化的特点.由于受限于整星的重量和功耗,应用于微小卫星的电推力器只能选择低功耗㊁小质量的微推力器.脉冲等离子体推力器(p u l s e d p l a s m a t h r u s t e r,P P T)是一种将含能固体工质烧蚀㊁电离所产生的等离子体在洛伦兹力作用下加速喷出而产生推力的电磁型微推力器,它具有比冲高㊁功耗低㊁体积小㊁结构简单等优点,可满足微小卫星的空间动力应用需求,尤其适合执行对控制精度要求高的任务.为了提高P P T的效率,国内外开展了大量关于P P T的理论和试验研究.１９９６年S p a n j e r s 等[１]用高速相机㊁干涉仪等设备研究了P P T放电之后放电通道中的中性气体和大颗粒的形成,结果表明形成大颗粒的主要原因是工质表面喷射的熔融特氟龙或积碳所致.１９９８年S p a n j e r s 等[２Ｇ４]利用扫描电镜和高速照相机等设备测定了P P T喷射的直径在１~１００μm大颗粒的质量和速度,结果表明P P T喷射的大颗粒约占每次烧蚀质量的４０％,而对推力的贡献却不到１％. K o i z u m i等[５]应用发射光谱㊁高速摄影㊁磁场探针等诊断手段研究了平行极板P P T中工质的电离加速,结果表明二次放电发生在与工质表面有一定距离的中性气体团的外侧,其对工质的加速作用很小.N a w a z等[６]利用磁场探针测量了P P T放电通道中不同位置处的磁场,结果发现在工质表面附近测量的磁场与弹丸模型计算所得的磁场复合较好.P o t t i n g e r等[７]采用弹丸模型开展了数值研究,认为电极间的电感梯度是决定推力器性能的关键因素,电感梯度越大,离子获得的动能越大.S c hön h e r r等[８]对具有扩张角的尖嘴极板推力器进行了试验与仿真研究,计算得到的推力器效率与P o t t i n g e r等[７]的结论基本一致.国内目前主要有国防科学技术大学㊁中国科学技术大学㊁兰州空间技术物理研究所等科研院所开展P P T样机的研制和机理研究,并取得了许多有意义的结果[９Ｇ１２].脉冲等离子体推力器的研究虽然在试验和理论上都取得了许多结果,但是还存在以下几方面的问题:１)电流片模型得到的结果只在工质表面附近,与试验结果符合,在其他位置二者结果相差较远[６];２)S c hön h e r r等关于推力的结果是通过电流波形推导得到的,其结论的合理性还有待进一步确认[８];３)对脉冲等离子体推力器在工作过程中积碳形成的机理研究还不够完善,需要进一步研究.因此,为了加深对脉冲等离子体推力器工作机理的理解和提高脉冲等离子体推力器的性能,对脉冲等离子体推力器的理论和试验研究还需深入.本文利用一维集成电路模型,系统地分析了推力器初始放电电压和电极间距对推力器推力㊁比冲㊁等离子体密度和电子温度分布的影响.本文的研究旨在加深对P P T电磁加速机理的理解,为后续P P T性能的优化和产品的小型化提供理论支撑.１㊀方法１．１㊀P P T电磁加速模型P P T推力器中等离子体的加速过程可以分为两个阶段:电热加速阶段和电磁加速阶段.电热加速发生在推进剂表面,即放电发生区域.等离子体一旦形成,电容㊁电极㊁等离子体之间将形成放电回路.由于等离子体电阻的存在,放电产生大量热量烧蚀推进剂表面,使得推进剂表面的压力急剧升高,产生的粒子被气动力加速.此时,电弧烧蚀工质表面电离产生的等离子体密度低,电流小,离子所受的洛伦兹力相对较小,电磁加速作用微弱,加速由热能主导.随着等离子体向喷口处运动,一方面,由于腔体的体积变大,压力减小,电热加速作用逐渐减弱;另一方面,由于放电电流的增加,电磁加速作用逐渐增强.当带电粒子离推进剂表面一定距离时,电磁加速贡献大于电热加速的贡献,电磁加速开始起主导作用.本文基于S h a w等开发的集成电路模型[１３Ｇ１４],研究了P P T电磁加速的作用,即忽略了电热阶段的加速过程.该研究内容中不包含放电电弧与固体推进剂表面之间的烧蚀和电离相互作用.根据法拉第电磁感应定律,由电容㊁电极㊁等离杨三祥,等:脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究１３㊀子体组成的放电回路中产生的感应电动势[１４]为:V ０－１C P P T ʏI d t ＝I R c i r c u i t ＋d L c i r c u i td t I ＋L c i r c u i td I d t(１)式中:R c i r c u i t ,L c i r c u i t ,C P P T 分别为放电回路中的电阻㊁电感和电容;V ０为初始电压;I 为放电电流.电路中的电感和电阻分别来自于电容器㊁电极以及等离子体.L c i r c u i t ＝L c a pa c i t o r ＋L e l e c t o r e s ＋L p l a s m a R c i r c u i t ＝R c a pa c i t o r ＋R e l e c t o r e s ＋R p l a s m a 等离子体中产生的电感可以表示为流过等离子体的磁通ϕB 与电流I 的比值.流过任意闭合表面的磁通为０,即:L p l a s m a ＝ϕB I ＝１IɥBd s ＝０为了计算趋肤效应导致电极上电流密度分布不均匀产生的电感,假设电极由无数个子电极组成,则各子电极之间的电感[１５]为:L s u b ＝２ˑ１０－７l s u b l n ２l s u b w s u b ＋δs u b æèçöø÷＋０．５éëêê＋０．２２３５w s u b ＋δs u b l s u bæèçöø÷ùûúú式中:l s u b 为电极的长度;w s u b 为子电极的宽度;δs u b 为子电极的厚度.各子电极的电阻R s u b[１５]为:R s u b ＝l s u bσs u b w s u b δs u b式中:σs u b为电导率.各子电极之间的互感M i j ,m n [１５]为:M i j ,m n ＝２ˑ１０－７l s u b [l n l s u bd i j ,m n ＋１＋l ２s u b /d ２i j ,m n æèçöø÷－１＋d ２i j ,m n /l ２s u b ＋d i j ,m n /l s u b ]式中:下标i ,j ,m ,n 分别为第１个和第２个子电极的行和列位置;d 为两个子电极中心之间的距离.由欧姆定律得V ＝I (R ＋i ωL ),ω为频率,i 为虚数单位.放电过程产生的等离子体用磁流体方程组描述为:１r ƏƏr r ρυr ()＋ƏƏr ρυz ()＝０(２)ρυr Əυz Ər ＋υz Əυz Əz æèçöø÷＝ƏP Əz ＋J r B θ(３)ρυr Əυr Ər ＋υz Əυr Əz æèçöø÷＝ƏP Ər －J z B θ＋J θB z (４)１r ƏƏr r J r ()＋ƏJ z Ər＝０(５)B θ＝μ０r ʏr０J z r d r (６)式中:ρ为等离子体的密度;υ为等离子体的速度;P 为等离子体压强;B θ为流过电极的电流产生的磁感应强度;B z 为外部磁感应强度,计算中设为０;J r ,J z ,J θ分别为径向㊁角向和轴向电流,为了简单,假设电流只有J z 分量.由于电子的温度远高于离子的温度,T e ≫T i ,因此忽略等离子体中离子对压强的贡献,则等离子体的压强可表示为P ʈk b N e T e ,式中:N e 为电子的数密度,k b 为玻尔兹曼常数,电子的温度由电子的热平衡方程进行描述[１６]:d d z ３２P υe S ＋q S æèçöø÷＋P d d z υe S ()＝I ２e σS－Q e iS q ＝－κe d T ed z式中:S ＝πr ２为截面积;Q e i 为电子和离子发生弹性碰撞和非弹性碰撞所损失的能量;q 为电子的热通量;κe 为热传导系数.由于电流与离子速度有关,因此可以建立等离子体速度与电子速度之间的关系:υe ＝υ１＋１αi æèçöø÷式中:αi 为归一化的离子电流.采用一维的准中性平衡模型,电离满足如下关系[１７]:υdf n d r＝k n f n －１N e －k n ＋１f n N e ㊀n ＝１,２,３, 式中:k n 为电离系数[１７]:k n t ()＝σ０８k B T e πm e æèçöø÷１/２E ０E n æèçöø÷２e x p －E n k B T e æèçöø÷式中:σ０＝１０－２０m ２;E ０＝１３．６e V ;E n 为工质从n －１电离态到n 电离态所需要的能量.f n r ()＝C n e x p －r －r ０λn ＋１æèçöø÷－C n －１e x p －r －r ０λnæèçöø÷式中:λn ＝υ/k n N e ();C n 为某一电离态在分布函数中所占份额;r 为等离子体与阴极之间的距离.C n ＝ðn ＝１f ０n平均电离态为:Q r ()＝ðn ＝１Q n f n r ()１４㊀中国空间科学技术A u g２５㊀２０２０㊀V o l ４０㊀N o ４电子密度作为电流的函数写为:N e ＝I αie S υz假设满足准中性条件,则由碰撞损失的能量为[１７]:Q i e ＝N e N i ðn ＝１I i ,n ＋１k n ＋１f n推力器中喷射出的离子所受的洛伦兹力为[１４]:ʏVJ ˑB ()d V ＝ʏV I z πr ２z ()μ０I z ２πz ＋ϕ()＋æèçμ０I z ２πh －z ＋ϕ()öø÷d V ＝μ０I z ２πl g２h h ＋ϕ(７)式中:ϕ为电极厚度的一半;h 为电极间距;μ０为真空中的磁导率.等离子体在洛伦兹力作用下的运动满足牛顿运动方程:ʏt０md x２d ２τd τ＝ʏV J ˑB ()d V 式中:m 为等离子体的质量.等离子体质量的变化率则可以表示为离子损失率Γi 与放电电流I 的函数,即:d ρυz S ()d t ＝d ρυz S ()d Q d Q d t＝ΓiI (８)式中:Q 为电容器所带电量.综合上式可以研究初始放电电压㊁电极间距等参数对脉冲等离子体性能的影响.１．２㊀求解方法及边界条件该模型的求解分为两部分,第一部分由描述等离子体的磁流体方程组式(２)~(６)组成,第二部分由包含电路参数㊁几何参数等信息的式(１)(７)(８)组成.由于等离子体的密度ρ和等离子质量的变化Γi I 有关,因此磁流体方程组和电路方程耦合在一起.在求解过程中磁流体方程组采用四阶龙格Ｇ库塔方法求解.当解收敛时,将收敛的解作为第二部分的初始条件,利用M a t l a b 求解延迟微分方程的d d e ２３库函数进行求解,当计算时间大于设定的时间上限时,计算终止.在计算中,假设初始时刻电路中的电流I (０)＝１０A ,等离子体的速度为υ０()＝１ˑ１０－３m /s ,等离子体初始质量为M ０()＝１ˑ１０－３μg ,电子初始温度为１e V .结合上述初始条件和计算方法就可以获得脉冲等离子体工作过程中各物理量随时间的变化.２㊀数值计算结果２．１㊀初始电压对P P T 的影响假设P P T 推力器电极由纯铜构成,电极厚δ＝０．００３m ,电极宽w ＝０．０１m ,电极间距h ＝０．０３m ,电容C ＝４．０μF ,电感L ＝３００n H ,电阻R ＝３５m Ω,放电频率f ＝１３．６k H z.图１为不同初始放电电压下推力器放电电流和电压的波形.随着初始放电电压的增加,放电电流幅值具有明显的增加.电流峰值的增加意味着放电能量的增加.对于P P T ,其推力等于喷射出粒子所受洛伦兹力和气动压力之和.由于气动压力(热压力)相对较小,P P T 的推力约等于离子所受洛伦兹力的大小.在磁场不变的情况下,放电电流的增加意味着粒子所受洛伦兹力的增加,洛伦兹力的增加将导致离子速度的增加,如图２所示.图１㊀不同初始放电电压下放电电流和电压波形F i g ．１㊀W a v e f o r m s o f d i s c h a r g e c u r r e n t a n dv o l t a gew i t h d i f f e r e n t i n i t i a l d i s c h a r g e v o l t a ge s杨三祥,等:脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究１５㊀图２㊀不同初始放电电压下等离子体速度和位移变化F i g．２㊀T h e p l a s m a s p e e da n dd i s t a n c e m e n t v a r i n g w i t hd i f fe r e n t i n i t i a l d i s c h a r g e v o l t a g e s图２比较了初始放电电压分别为８００,１２００,１６００,２０００V四种工况下,等离子体速度和位移随时间的变化.随着初始放电电压的增加,在单个脉冲放电周期内,等离子体的速度和位移都相应的增加.由推力器比冲和元冲量的定义可知,增加粒子的运动速度将导致推力器比冲的增加,如图３所示.随着初始放电电压的增加,不论是比冲的最大值还是比冲的平均值都随初始放电电压的增加而增加.比冲的增加是由于离子速度的增加.图４(a)给出了等离子体质量与初始放电电压之间的关系.随着初始放电电压的增加,电离产生的等离子体的质量也随之增加.这是因为放电电压的增加导致电容器在单个脉冲内释放的能量增加,从而在推进剂表面烧蚀㊁电离产生更多的离子.推力器的元冲量由喷出粒子的质量和速度二者共同决定,增加初始放电电压也将导致推力器元冲量的增加,如图４(b)所示.图３㊀不同初始电压下的比冲F i g．３㊀T h e s p e c i f i c i m p u l s ew i t hd i f f e r e n t i n i t i a ld i s c h a r ge v o l t a g e s１６㊀中国空间科学技术A u g２５㊀２０２０㊀V o l ４０㊀N o ４续图３㊀F i g．３㊀C o n t i n u e d图４㊀等离子体质量和元冲量随放电电压的变化F i g ．４㊀P l a s m am a s s a n d i m p u l s eb i t v a r i n g wi t h t h e i n i t i a l d i s c h a r g e v o l t a ge 图５为放电电压为８００V 和１６００V 时的电子密度和温度的分布.观察发现,电子密度分布比较集中.电子密度相对集中的可能原因有:１)放电过程中等离子体主要产生在该区域,导致这一位置电子密度的局部增加;２)二次电子效应.由于电子温度的局部增加,导致等离子体中的离子被进一步电离,离子在被进一步电离的过程中将产生额外的电子,最终导致局部的电子温度和密度增加.图５㊀不同初始电压下的电子密度和温度F i g ．５㊀E l e c t r o nd e n s i t y a n d t e m pe r a t u r ew i t h d if f e r e n t d i s c h a rg e v o l t a ge s杨三祥,等:脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究１７㊀图６比较了不同放电电压下离子所受洛伦兹力的大小.随着放电时间的增加,离子所受洛伦兹力逐渐减小,直至为０.这是由于放电电流的幅值随着放电时间的增加逐渐减小.此外,离子所受的洛伦兹力随初始放电电压的增加而增加,导致这一结果的原因是电流幅值随着初始放电电压的增加而增加,如图１(a )所示.２．２㊀极板间距对P P T 的影响对于给定电容器类型及极板构型的P P T ,电极间距的改变不仅会改变放电通道内电磁场的分布及大小,造成等离子体所受洛伦兹力的改变,而且还改变放电回路参数,造成回路电感及放电通道内等离子体电阻的改变,使系统放电特性发生变化.电极间距的增大意味着推进剂曝光面积的增加,相应地被烧蚀的推进剂质量也增加.当推进剂烧蚀区域体积保持不变时,等离子体密度的增加将导致放电空间内压力升高,进而导致电热加速效能的提升.图７是在不同电极间距下,放电电流和放电电压波形.计算中,初始放电电压为１４００V ,其他参数与前面所述一致.由图７可知,在其他参数相同的情况下,电极间距在一定范围内的增加将导致等离子体放电电流幅值的增加.此外,电极间距的变化会影响极间电感和等离子体电阻的大小.图８比较了电极间距分别为０．０２,０．０３,０．０４,０．０５m 时等离子体的电感变化,结果表明随着电极间距的增加,等离子体电感相应增加.G u m a n 等[１８]给出了平行电极型P P T 的电极间距对极间电感的影响:L e ＝μ０hwl (９)式中:L e 为极间电感;h 为极间距离;w 为极板宽度;l 为极板长度.从式(９)可以看出随着极板间距的增加,极板间等离子体的电感将增加,这与图８结果一致.需要说明的是式(９)仅适用于h ≫w 的情况.带电粒子由于电磁加速产生的推力[１８]为:F E M ＝fμ０２hwʏt ０I ２d t (１０)图６㊀不同初始电压下的洛伦兹力F i g．６㊀L o r e n t z f o r c e sw i t hd i f f e r e n t i n i t i a l d i s c h a r g e v o l t a ge s１８㊀中国空间科学技术A u g２５㊀２０２０㊀V o l ４０㊀N o ４图７㊀电极间距对放电电流和电压的影响F i g ．７㊀E l e c t r o d e d i s t a n c e e f f e c t s o n t h e d i s c h a r ge c u r r e n t a n dd i s c h a r g e v o l t a ge 从式(９)和式(１０)可知,当极板距离增加时,极板间的电感和电磁加速产生的推力都将线性增加.此外,从式(１０)可知推力与h 和w 的比值有关.在P P T 推力器中,比冲定义为:I s p ＝F ̇M g＝F/f M g (１１)式中:f 为脉冲等离子体推力器的放电频率,t ＝１/f ,f 为单次脉冲放电时间;g 为重力加速度;M 为推进剂的质量损耗,̇M ＝M /t ＝M f 为推进剂流率;F 为推力,包含电磁场加速产生的推力F E M 和气动扩展产生的推力F E T [１８]:F E T ＝f ８γ－１()γ２γ＋１()M E éëêêùûúú１/２式中:γ为与推进剂有关的恒量,对于聚氟乙烯γ＝１．３.比冲还可以表示为:I s p ＝I b i tM gI b i t 为元冲量,定义为:I b i t ＝M υe x图８㊀电极间距对回路电感的影响F i g．８㊀E l e c t r o d e d i s t a n c e e f f e c t s o n t h e c i r c u i t i n d u c t a n c e杨三祥,等:脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究１９㊀式中:υe x 为推进剂粒子的有效喷射速度,喷射粒子的动能可以表示为:W ＝１２M υ２e x ＝１２M I b i t M æèçöø÷２＝I ２b i t ２M对于P P T ,推力器效率定义为粒子获得的动能与电容储能的比值.因此效率表示如下:η＝W E ＝I ２b i t ２M E ＝I s p Mg ()２２M E ＝F /f ()２M E２式中:E 为电容器储能.因此,由式(１０)和式(１１)可知,在推力器电极宽度一定的情况下,增加极板间距会使推力器的比冲相应的增加,如图９所示.由式(１０)可知,为了得到较好的电磁加速效果,应选择较大的电极高/宽比,但在实际情况中,电极的间距经常受推力器尺寸㊁质量和星上空间的限制.采用提高推进剂曝光面积的方法可以提高推功比,并能提高比冲和推力.但由于这种方法消耗大量的推进剂,会降低推进剂的质量利用率,从而降低效率.与式(１０)反映的结果一致,随着极板间距离的增加,由电磁加速产生的推力也随着极板间距的增加而增加,如图１０所示.图１０比较了电极间距为０．０２,０．０３,０．０４,０．０５m 时洛伦兹力的大小.推力器的推力随极板间距h 增加是因为h增大,推进剂的暴露面积也随之增大,从而可以产生更多的等离子体,因此推力F 提高.但是,随着电极间距h 的增大,极板间的阻抗也随之增大,电流振荡的次数减小,击穿困难,放电电弧也越来越难产生,进而造成放电失败.因此,电极间距h 存在一个优化值.当电极间距h 超过优化值后,推力F 将随之降低.此外,电极间距h 的选择还应考虑星上空间的限制.３㊀结束语本文采用一维集成电路模型系统地研究了P P T 推力器放电电压和电极间距对P P T 性能影响.研究结果表明:１)增加推力器放电电压有助于提高推力器的性能,如推力㊁比冲等.这是由于高的放电电压意味电容器具有大的储能,放电电流的幅值随着放电电压的增加而增加.放电电流的增加使离子所受的洛伦兹力增加,离子图９㊀不同极板间距下的比冲F i g ．９㊀T h e s p e c i f i c i m pu l s ew i t hd i f f e r e n t e l e c t r o d e d i s t a n c e s２０㊀中国空间科学技术A u g２５㊀２０２０㊀V o l ４０㊀N o４图１０㊀不同极板间距下的洛伦兹力F i g．１０㊀T h eL o r e n t z f o r c e f o r d i f f e r e n t e l e c t r o d e d i s t a n c e 喷射速度的增加,从而导致推力和比冲的增加.２)在一定范围内增加电极的高/宽(h /w )比会使推力器的推力和比冲都增加,这是因为改变电极间距会影响等离子体的电阻和电感以及推进剂的暴露面积,从而影响放电周期㊁放电电流的波形,进而影响推力器的性能.为了研究推力器工作过程中的积碳㊁工质烧蚀形成的大颗粒等对推力器性能的影响,在后续工作中,需要开展放电电弧与工质表面相互作用的研究.参考文献(R e f e r e n c e s)[１]㊀S P A N J E R SGG ,M c F A L LK A ,G U L C Z I N S K I FS ,e t a l ．I n v e s t i g a t i o no f p r o p e l l a n t i n e f f i c i e n c i e s i n a p u l s e d p l a s m a t h r u s t e r [C ]．３２n d A I A A J o i n tP r o p u l s i o n C o n f e r e n c e ．L a k eB u e n aV i s t a :A I A A ,１９９６:２７２３．[２]㊀S P A N J E R SG G ,L O T S P E I C HJS ,M C F A L L K A ,e t a l ．P r o pe l l a n tl o s s e s b e c a u s e of p a r t i c u l a t e e m i s s i o n i n a p u l s e d p l a s m at h r u s t e r [J ]．J o u r n a lo f P r o p u l s i o n a n d P o w e r ,１９９８,１４(４):５５４Ｇ５５９．[３]㊀S P A N J E R SG G ,MA L A KJB ,L E I W E K ERJ ,e t a l ．T h ee f f e c t o f p r o p e l l a n t t e m p e r a t u r e o n e f f i c i e n c y i n t h e p u l s e d p l a s m a t h r u s t e r [J ]．J o u r n a lo fP r o pu l s i o na n d P o w e r ,１９９８,１４(４):５４５Ｇ５５３．[４]㊀S P A N J E R SG G ,S P O R E SR A．P P Tr e s e a r c ha tA F R L Ｇm a t e r i a l p r o b e s t om e a s u r e t h em a gn e t i c f i e l dd i s t r i b u t i o n i n a p u l s e d p l a s m a t h r u s t e r [C ]．３４t h A I A A J o i n t P r o p u l s i o nC o n f e r e n c e ．C l e v e l a n d :A I A A ,１９９８:３６５９．[５]㊀K O I Z UM IH ,K O M U R A S A K IK ,A R A K A W A Y ．D e v e l o pＧm e n t o f t h r u s t e r f o r l o w i m p u l s em e a s u r e m e n t f r o m m i c r o t h r u s t e r s [J ]．R e v i e w o fS c i e n t i f i cI n s t r u m e n t ,２００４,７５(１０):３１８５Ｇ３１９０．[６]㊀N AWA Z A ,A UW E T E R K M ,K U R T Z H ,e t a l ．P u l s e dp l a s m a t h r u s t e r f o r p r i m a r y p r o pu l s i o n a n d a t t i t u d e c o n t r o l o f a s m a l l a l l e l e c t r i c a l s a t e l l i t e [C ]．４t hS p a c e c r a f t P r o p u l s i o nC o n f e r e n c e ．C a gl i a r i :２００４:６．[７]㊀P O T T I N G E R SJ ,K R E J C ID ,S C H A R L E MA N N C A．P u l s e d p l a s m a t h r u s t e r p e r f o r m a n c e f o r m i n i a t u r i s e d e l e c t r o d ec o n f i g u r a t i o n sa n dl o w e n e r g y o p e r a t i o n [J ]．A c t aA s t r o n a u t i c a ,２０１１,６８:１９９６Ｇ２００４．[８]㊀S C H ÖN H E R RT ,N E E SF ,A R A K AWA Y ,e t a l ．C h a r a c Ｇt e r i s t i c s o f p l a s m a p r o p e r t i e s i na na b l a t i v e p u l s e d p l a s m a t h r u s t e r [J ]．P h y s i c s o f P l a s m a s ,２０１３,２０:０３３５０３．[９]㊀王尚明,田立成,张家良,等．脉冲等离子体推力器放电过程和性能初探[J ]．中国空间科学技术,２０１７,３７(５):２４Ｇ３２．WA N GS M ,T I A N LC ,Z H A N GJL ,e t a l ．E l e m e n t a r ys t u d y o n t h e d i s c h a r g e p r o c e s s a n d p e r f o r m a n c e s o fm i c r o Ｇp u l s e d p l a s m at h r u s t e r [J ]．C h i n e s e S p a c e S c i e n c ea n d T e c h n o l o g y,２０１７,３７(５):２４Ｇ３２(i nC h i n e s e )．[１０]㊀王尚明,田立成,张天平,等．基于１２U 标准立方体星的μＧP P T 电推进系统研制[J ]．推进技术,２０１８,３９(１２):２８６３Ｇ２８７２．WA N GS M ,T I A N L C ,Z H A N G T P ,e ta l ．μＧP P T杨三祥,等:脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究２１㊀e l e c t r oＧp r o p u l s i o ns y s t e md e v e l o p m e n tf o r１２Us t a n d a r dc u b i c s a t e l l i t e s[J]．J o u r n a lo fP r o p u l s i o n T e c h n o l o g y,２０１８,３９(１２):２８６３Ｇ２８７２(i nC h i n e s e)．[１１]㊀王尚明,张家良,张天平,等．P P T等离子体电子密度氢光谱诊断技术[J]．中国空间科学技术,２０１６,３６(１):９４Ｇ１０２．WA N G S M,Z H A N G J L,Z H A N G T P,e ta l．Ad i a g n o s t i c s c he m ef o re l e c t r o nd e n s i t y i nμＧP P T p l a s m au s i n g Hs t a r kb r o a d e n i n g[J]．C h i n e s eS p a c eS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,２０１６,３６(１):９４Ｇ１０２(i nC h i n e s e)．[１２]㊀黄天坤,武志文,朱康武,等．烧蚀型脉冲等离子体推力器能量分配机理[J]．中国空间科学技术,２０１８,３８(５):３８Ｇ４５．HU A N G T K,WU Z W,Z HU K W,e ta l．T h ee n e r g yd i s t r i b u t i o n me c h a n i s m i n a n a b l a t i v e p u l s e d p l a s m at h r u s t e r[J]．C h i n e s e S p a c e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,２０１８,３８(５):３８Ｇ４５(i nC h i n e s e)．[１３]㊀S HAW PV,L A P P A SVJ．M a t h e m a t i c a l m o d e l l i n g o f h i g he f f i c i e n c yp u l s e d p l a s m at h r u s t e r sf o r m i c r o s a t e l l i t e s[C]．I n t e r n a t i o n a l A e r o s p a c e C o n f e r e n c e．V a l e n c i a:A I A A,２００６:４．[１４]㊀S H A W PV,L A P P A SVJ,U N D E R W O O DC I．D e v e l o p m e n t o f t h eμP P T p r o p u l s i o nm o d u l e f o r S T R a N DＧ１a３UC u b e S a t[C]．１s t I A AC o n f e r e n c e o nU n i v e r s i t y S a t e l l i t e sM i s s i o n s a n dC u b e S a tW o r k s h o p i nE u r o p e．R o m e,２０１１:１２５Ｇ１３９．[１５]㊀B A RA W．C a l c u l a t i o n o f f r e q u e n c yＧd e p e n d e n t i m p e d a n c e f o rc o nd u c t o r s o f re c t a n g u l a r c r o s s s e c t i o n[J]．A M PJ o u r n a l o fT e c h n o l o g y,１９９１,１(４):１Ｇ９．[１６]㊀K R I N B E R GIA,P A P E R N Y V L．P i n c he f f e c t i nv a c u u ma r c p l a s m as o u r c e su n d e r m o d e r a t ed i s c h a r g ec u r r e n t s[J]．J o u r n a l o f P h y s i c sD:A p p l i e dP h y s i c s,２００２,３５(４):５４９Ｇ５６２．[１７]㊀Z V E R E V E A,K R I N B E R GI A．T h ec u r r e n tc o l u m nc o n t r a c t i o n a nd i o n c h a r ge i n c r e a s e i n d u c e d b y t h ec u r r e n tb u i ld u p i n a p u l se d v a c u u m d i s c h a r g e[J]．T e c h n i c a l P h y s i c sL e t t e r s,２０００,２６(４):１Ｇ３．[１８]㊀G UM A N W J,N A T H A N S O N D M．P u l s e d p l a s m am i c r o t h r u s t e r s p r o p u l s i o ns y s t e mf o rs y n c h r o n o u so r b i ts a t e l l i t e[J]．J o u r n a l o f S p a c e c r a f t a n dR o c k e t s,１９７０,７(４):４０９Ｇ４１５．作者简介:杨三祥(１９８８－),男,博士,工程师,研究方向为空间电推进技术实验与理论研究,y a n g s x_５１０＠１６３．c o m.(编辑:梁雨薇)。
第9章 脉冲等离子体推力器_PPT_
它的缺点是效率较低（功率愈小效率愈低，几瓦时只有百分之几）；另外，想获得大的推力困 难。
9.3 运行机理分析与基本性能参数
(1)从电磁加速过程看影响推力的因素
为 w ，高为 h1 ，求得电磁加速和气动压力加速产生的元冲量 Iem 和 Ig ，可用下式表示：
∫∫ ∫ ∫ ( ) Iem =
∞ μ0H 2 dAdt ≈ μ0 h1 ∞ i2 t dt
02
2w0
(9.1)
气动压力产生的冲量为：
2
∫∫ ∫ ∑ Ig =
dA
t
nm
0
ν iν
f
dt ≈
α
mα cα
按工质分
PPT
按电极结构分
气体
液体
固体
平行 轨道
同轴 钮扣
T管
线性 压缩
图 9.1 PPT 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。
从上述工作过程可知，存在于电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。
等离子推进器原理
等离子推进器的基本原理1. 引言等离子推进器是一种利用电磁力将离子或等离子体排出以产生推力的推进器。
它是目前最先进、最高效的推进系统之一，被广泛应用于航天器、卫星和深空探测器等空间应用中。
本文将详细介绍等离子推进器的基本原理。
2. 等离子体的形成等离子体是由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的高度电离的气体。
在等离子推进器中，等离子体是通过电离气体来产生的。
一般情况下，气体通过电离源（如电离针或电离电极）进行电离，将其中的部分原子或分子电离为正离子和电子。
这些正离子和电子通过电场或磁场的作用被加速，并形成等离子体。
3. 等离子体加速等离子体在等离子推进器中的加速是通过电场或磁场的作用实现的。
3.1 电场加速在电场加速中，等离子体被放置在两个电极之间，形成一个电场。
电场的作用下，正离子和电子受到电场力的驱动，被加速并喷出推进器。
为了确保电场加速的效果，电极之间需要保持一定的电势差。
正离子和电子的加速方向相反，因此在推进器的设计中需要考虑如何使正离子和电子的运动方向一致，以最大程度地利用它们的动能。
3.2 磁场加速在磁场加速中，等离子体通过磁场的作用被加速。
磁场可以通过磁铁或线圈产生。
当等离子体穿过磁场时，正离子和电子的运动轨迹受到磁场力的影响，形成螺旋状轨迹。
通过调整磁场的强度和方向，可以控制等离子体的加速和排出方向。
4. 等离子体排出和推力产生等离子体在被加速后被排出推进器，形成推力。
排出等离子体的过程中，需要注意以下几个因素：4.1 离子排出由于正离子和电子具有相反的电荷，它们在排出过程中会受到相互作用力的影响。
为了最大限度地减小这种相互作用力的影响，推进器通常采用网状的阳极来排出正离子，而电子则通过中性化装置中和。
4.2 离子流束为了产生高效的推力，等离子体需要以高速排出。
离子流束的速度取决于等离子体的加速方式和加速能量。
为了确保离子流束的稳定性和一致性，推进器通常采用多级加速结构，以逐级加速离子。
脉冲等离子体推力器的英文首字母缩写
脉冲等离子体推力器的英文首字母缩写脉冲等离子体推力器的英文首字母缩写是PPT，是一种新型的推进系统。
PPT技术是基于等离子体物理原理的，其推进效率比传统的火箭推进系统高出数倍。
本文将从以下几个方面介绍PPT技术的原理、应用以及未来发展趋势。
一、PPT技术原理PPT技术的核心原理是利用等离子体的特性来推进航天器。
等离子体是一种高度电离的气体，具有高温、高密度、高速度、高能量等特点。
PPT技术利用电场和磁场的相互作用，将气体转化为等离子体，并通过电磁力的作用来推进航天器。
PPT技术的推进效率比传统的火箭推进系统高出数倍，其中一个重要原因是PPT技术可以利用外部能源来提供电场和磁场，而传统的火箭推进系统需要自带燃料。
此外，PPT技术还可以实现可控推力和可变推力，可以根据实际需要进行调整。
二、PPT技术应用PPT技术目前已经应用于一些航天器的推进系统中。
例如，美国国家航空航天局（NASA）的“深空一号”探测器就采用了PPT技术来进行推进。
此外，中国航天科技集团公司也在研发PPT技术，计划将其应用于未来的航天器中。
PPT技术的应用还不仅限于航天领域，它还可以用于地面交通工具、海洋船舶等方面。
例如，PPT技术可以用于地面交通工具的制动系统，可以实现更快速、更安全的制动效果。
三、PPT技术发展趋势PPT技术是一种非常有前途的推进技术，其未来发展趋势主要体现在以下几个方面：1. 提高推进效率。
PPT技术的推进效率已经非常高，但是还有提高的空间。
未来，科学家们将继续研究如何提高PPT技术的推进效率，以满足更高的性能要求。
2. 扩大应用范围。
PPT技术不仅可以用于航天领域，还可以用于地面交通工具、海洋船舶等方面。
未来，PPT技术的应用范围将会进一步扩大。
3. 实现可重复使用。
传统的火箭推进系统需要不断地携带燃料，而PPT技术可以利用外部能源来提供推进力，因此可以实现可重复使用。
未来，科学家们将继续研究如何实现PPT技术的可重复使用，以减少航天成本。
航天器姿态控制用的脉冲等离子体推力器系统
航天器姿态控制用的脉冲等离子体推力器系统Cass.,RJ;潘科炎【期刊名称】《控制工程（北京）》【年(卷),期】2000(000)003【摘要】由于小卫星应用领域的发展，脉冲等离子体推力器（PPT）正在寻找其新的用户。
鉴于PPT推进系统结构简单，质量轻，且比冲高，因此它很适合于小卫星的应用。
PPT系统采用特氟隆（Teflon)固体燃料推进剂，可构成自主的惰性稳定推进系统。
PPT功耗仅0．1－150W，且最小冲量Ibit很小（50－80μN.s），因此PPT技术可认为是一种革命性的姿态控制系统（ACS）方案，它可以在质量和功率要求较的条件下为航天器提供稳定精确的指向控制，而在此之前只能用反作用飞轮才能实现上述控制。
NASA刘易斯研究中心（LeRc)和Olin航空航天公司（OAC）正在携手合作研制一种先进的PPT系统，其总冲为以前最佳PPT系统的二倍，而质量仅为以往的50％。
实现上述这些目标的两个关键要素是：1）大大提高推力效率，即推力功率与输入电功率之比；2）提高能量密度和贮能电容器的寿命。
一般情况下，PPT的效率较低，例如林肯实验卫星LES8／9所用的PPT其效率几乎只有70％。
OAC已经试验了PPT各种结构配置的参数，可使PPT效率提高50％－100％。
为了实现LeRc的目标，贮能电容器必须在40J的能量水平下能脉冲工作2000万次，且其理论质量不大于1kg。
为了验证电容器技术，LeRc和OAC分二步进行了试验：先在OAC进行半敞开式试验，然后在开发阶段再在LeRc进行PPT／贮能电容器的综合寿命试验。
该开发计划提供一个上天飞行的PPT的设计、制造和鉴定单元，拟于1999年初在空军菲利浦实验室的“强力”卫星（Mighty Sat Ⅱ．1）上进行升轨机动飞行验证。
第二个单元预定在1999年中期发射的NASA新盛世计划EO－1卫星上作为姿态控制功能部件进行飞行验证。
由于为航天应用领域开发的PPT其重量轻、性能高、因此可以考虑用PPT代替卫星上的动量轮。
脉冲等离子体推力器微推力测试技术的述评
Ｙ Ｎ ｅ Ｌ ｉａ ＷＵ Ｊ ｎｊｎ Ｚ Ｏ ｉ Ａ Ｇ Ｌ Ｉ － ｎ Ｚｒ ｉ － Ｈ Ｕ Ｊ ａ ｕ ｎ
（ ｏ ｅｅｏ Ａ ｒｓａｅａｄ Ｍ ｔ ａ Ｅ ｇ ｅｒ ｇ ａ ｏ ａ Ｕ ｉ． ｆ ｅ ｎ ｅ ｅｈ ｏ ｇ ， ｈ ｎ ｓａ １０ ３ Ｃ ｎ ｇ ｆ ｅ ｐ ｃ ｎ ａ ｒ ｌ ｎ ｉ ｅ ｎ ，Ｎ ｔ ｎ ｌ ｎｖ ｏ Ｄ ｆ ｓ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｃ ａ ｇｈ ０ ７ ） ｏ ｅ ｎ ｉ ｉ ｉ ｅ Ｔ ｏ ４
１ 引 言
随着 航 天微 型 化 的不 断发 展 ， 用 于微 小 卫 星 对
一
个 非常 活跃 的研 究 领域 ， 时从 技 术 的角 度 对 常 同 对 于微 小卫 星而 言 ， 冲 等离子 体 推力器 ， 脉 简称
规 推力器 积 极进行 微 型化研 究 。 Ｐ Ｔ 是 一 个有前 途 的 微推 进 装 置 ， 为它 具 有 比冲 Ｐ， 因
的稳定 、 点 、 态控 制 、 置保 持 以及 编 队飞 行 等 定 姿 位
方 面 的微 推进 系统 的需 求越来 越 明显 。常规推 进 系
统 已不 能满足 微小 卫星 对其 脉 冲精 度 、 推力水 平 、 重
高、 结构 简单 、 量 轻 、 靠性 高 以及 脉 冲 冲量 小 等 质 可 优点 。尤 其对 于 姿 态 控制 和 编 队飞 行 ， 脉 冲 冲量 小
维普资讯
２０ ０ ６年 ８ 月
宇航 计 测技 术
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＡｓ ｏ ａ ｔ ｔ ｌｇ ｎ ａ ｕ ｅ ｎ ｏ ｒ ａ ｏ ｔ ｎ ｕ ｉ Ｍｅｒ ｏ ｙ ａ ｄ Ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ｒ ｃ ｏ
Ａｕｇ． ２ ０ ，０ ６ Ｖｏ ． ６． １ ２ Ｎｏ． ４
摘 要 对脉冲等离子体推力器（ ） Ｐ 的微推力测试技术， 并对几种典型的进行单脉冲冲量 、 平均推力等参
脉冲等离子体推力器等离子体羽流的光谱研究
脉冲等离子体推力器等离子体羽流的光谱研究脉冲等离子体推力器（PIB）是一种新兴的等离子体技术，可以实现高速、高效的连续推动，可以实现小型、轻量化和可靠的太空推进系统，以满足需要微型卫星、便携式卫星和其他太空推力器的需求。
其羽流特性一直是研究热点，对于深入了解PIB性能很重要。
本文详细介绍了等离子体羽流光谱研究，重点讨论了其分子散射及等离子体激发态发挥的重要作用。
一、等离子体羽流的概述等离子体羽流是一种流体动力学，它可以描述在等离子体系统中发生的流动和热过程，如等离子体羽流推力器（PIB）。
它反映了现有等离子体系统中物质和能量流动的总体过程。
它由两个不同的方程组组成：动量方程和能量方程，动量方程描述了物质流速的分布和流场的变化，能量方程描述了能量的流动。
等离子体羽流提供了一个理论框架来描述等离子体流体的流动和热传递，根据这种理论框架，可以估算出等离子体推力器的性能，以及识别出影响性能的关键因素，以指导设计过程。
二、光谱研究光谱是通过基于测量特定光谱区间内发射或吸收光来研究等离子体羽流性能的有效方法。
羽流中发现的发射和吸收光大多都是由等离子体离子相互作用的结果。
发射的光主要是由电子和离子体磁场的耦合形成，称为等离子体共振系统；而吸收的光是由分子散射和等离子体激发态引起的。
1.分子散射分子散射是等离子体羽流中发现的最重要的光谱效应。
分子散射指的是等离子体中电子和离子相互作用时释放出的光，这些光受到磁场的局部影响，受到热迁移和量子隧穿等影响，因此可以用来研究等离子体羽流的性能。
2.等离子体激发态等离子体激发态指的是等离子体中的自由电子的激发状态。
在PIB羽流中，由于等离子体中的自由电子能量密度很大，因而激发态会产生大量的发射光，这些光会受到磁场、温度和压力等因素的影响。
三、结论等离子体羽流光谱已成为研究PIB性能的重要方法。
光谱分布受等离子体羽流性能的影响，可以被用来研究等离子体羽流的流动和热特性。
重要的是要了解等离子体羽流中分子散射和等离子体激发态对光谱分布及性能的重要作用，从而更好地理解和描述等离子体羽流的运动。
脉冲等离子体电推进系统实验技术研究进展
脉冲等离子体电推进系统实验技术研究进展李兴达;张天平;王尚民;冯玮玮【摘要】脉冲等离子体电推进是一种利用电容器脉冲放电产生电磁场,带电粒子被电磁场加速而产生推力的电推进系统.由于其结构简单、输入功率小、比冲较高,在微小卫星领域具有很好的应用前景.PPT从原理样机到飞行产品阶段需要进行大量实验,同时调研了英国、美国、日本以及国内部分高校的PPT电推进系统实验,从性能实验、环境实验、寿命实验方面讨论了PPT电推进系统需要开展的实验项目,其中性能实验包括元冲量测量、电参数测量、烧蚀质量测量、羽流诊断,环境实验包括力学、真空和EMC实验.%Pulsed plasma electric propulsion systemis a kind of electric propulsion system. The electromagnetic field is generated by the discharge of capacitor,charged particles are then accelerated by electromagnetic field to produce thrust. PPT is a promising electric propulsion device for small satellite because of its simple structure,low input power and high specific impulse. Lots of tests need to be carried out from the PPT prototype to the flight products. In this paper,the PPT electric propulsion system tests in UK,USA,Japan and some domestic universities are systematically introduced. The test technology of PPT is discussed from performance test,environmental test and life test respectively. Performance test includes impulse bit measurement,electric parameter measurement,ablation mass measurement and plume diagnostic.en-vironmental test includes mechanical test,thermal vacuum test,EMC test.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2017(023)001【总页数】5页(P20-24)【关键词】脉冲等离子体;电推进系统;性能;环境;寿命【作者】李兴达;张天平;王尚民;冯玮玮【作者单位】兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州 730000【正文语种】中文【中图分类】V439脉冲等离子体电推进（PPT）是一种电磁推进器，具有比冲高、功耗低、结构简单、重量轻等特点，在微纳卫星领域有很强的竞争力和应用前景，典型的任务包括轨道控制、位置保持、阻力补偿、精确编队飞行以及姿态控制等。
脉冲等离子体推力器的英文首字母缩写
脉冲等离子体推力器的英文首字母缩写
脉冲等离子体推力器的英文首字母缩写是PPT，是一种新型的推进器。
PPT利用等离子体的高温高速来产生推力，因此具有高效、高速、低成本等优点。
本文将对PPT的工作原理、发展历程、应用前景等方面进行介绍。
一、工作原理
PPT的工作原理是利用高温等离子体的速度和质量作为推进剂，通过磁场加速和排放来产生推力。
具体来说，PPT通过电极将气体电离成为等离子体，并通过电场和磁场加速等离子体。
等离子体在加速过程中会与气体分子发生碰撞，产生离子和电子，这些离子和电子被加速后排出，形成推力。
二、发展历程
PPT的概念最早可以追溯到1960年代。
当时，美国宇航局的研究人员提出了一种利用等离子体推进的想法。
但是由于技术限制和成本问题，这种推进器一直没有得到广泛应用。
直到20世纪末，随着科技的发展和成本的降低，PPT才开始逐渐得到重视。
目前，PPT已经成为了一种成熟的推进技术，并且在航空航天、卫星和深空探测等领域得到了广泛应用。
三、应用前景
PPT具有高效、高速、低成本等优点，因此在航空航天、卫星和深空探测等领域具有广阔的应用前景。
具体来说，PPT可以用于提高卫星轨道调整的精度和速度，同时还可以用于深空探测器的推进。
此
外，PPT还可以用于地球观测卫星、通信卫星和气象卫星等领域。
总之，PPT是一种新型的推进技术，具有高效、高速、低成本等优点。
随着科技的不断进步和成本的不断降低，PPT将会在航空航天、卫星和深空探测等领域得到更广泛的应用。
烧蚀型脉冲等离子体推力器能量分配机理
烧蚀型脉冲等离子体推力器能量分配机理黄天坤;武志文;朱康武;于学文;王金海【摘要】脉冲等离子体推力器(以下简称PPT)效率低下的缺点一直为使用者所诟病,但过去对其能量分配机理的研究十分匮乏,难以为高效率PPT的设计提供参考.针对这一现状,本研究以平板式烧蚀型PPT为对象,对推力器在4种不同放电能量(能量比1:2:3:4)下工作的电压、电流和脉冲烧蚀质量进行测量,并根据测量结果估算PPT的元冲量、比冲、效率等推进性能.此外,本研究还建立了能估算PPT推进剂利用率的数值模型,并用该模型分析实验研究结果.研究结果表明,能量利用率和推进剂利用率低下同时导致PPT推力器效率低下,随着放电能量的增加,PPT的能量利用率和推力器效率上升,分别从5.07％和2.88％逐渐提高至16.46％和5.23％,但推进剂利用率反而降低,由56.8％逐渐降低至31.8％.【期刊名称】《中国空间科学技术》【年(卷),期】2018(038)005【总页数】8页(P38-45)【关键词】脉冲等离子体推力器;效率;能量分配机理;实验研究;数值模拟【作者】黄天坤;武志文;朱康武;于学文;王金海【作者单位】上海航天控制技术研究所,上海 201109;上海市空间智能控制技术重点实验室,上海 201109;北京理工大学宇航学院,北京 100081;上海航天控制技术研究所,上海 201109;上海市空间智能控制技术重点实验室,上海 201109;上海航天控制技术研究所,上海 201109;上海市空间智能控制技术重点实验室,上海 201109;上海航天控制技术研究所,上海 201109;上海市空间智能控制技术重点实验室,上海201109【正文语种】中文【中图分类】V439+.2作为最早应用于航天任务的电推力器，脉冲等离子体推力器[1](Pulsed Plasma Thruster，PPT)具有比冲高、结构简单、控制方便灵活、能在低功率下稳定工作等特点，可以满足小卫星，尤其是质量小于100 kg的小卫星对系统提出的低功耗和低质量等严苛要求。
脉冲等离子体推力器能量分配机理的理论分析与实验研究
脉冲等离子体推力器能量分配机理的理论分析与实验研究脉冲等离子体推力器(PPT)具有比冲高、结构简单、控制方便灵活、能在低功率下稳定工作等特点,可以满足小卫星,尤其是质量小于100kg的小卫星对系统提出的低功耗和低质量等严苛要求,在卫星微小型化的发展趋势下,有着良好的应用前景。
但其过低的推力效率(通常<10%)一直为使用者所诟病,阻碍PPT 的应用。
过去50多年,PPT的研究者们为了提高PPT的推力效率,做了很多努力,但极少对PPT的能量分配机理进行研究。
能量分配机理是直接影响PPT推力效率的重要因素,但到目前为止,无论是理论还是实验方面,都缺乏研究,导致PPT推力效率低下的原因依旧扑朔迷离,难以给高性能PPT的设计提供参考。
故本文对脉冲等离子体推力器的能量分配机理进行研究,期望从能量分配角度去探索PPT推力效率低下的原因,为高性能PPT的设计提供参考。
本文首先对PPT的能量分配机理进行理论分析。
发现,由于喷出工质的速度不相近,PPT的推力效率(由喷出工质的平均速度计算得到的动能与总能量的比值)小于其效率(喷出工质的实际动能与总能量之比)。
推力效率是正比于比冲与推力功率比乘积的物理量,是PPT的重要性能参数,而效率只是推力效率的影响因素之一。
推力效率的高低不仅跟能量转换效率有关,还跟喷出工质的速度分布有关。
对于PPT,如果忽略中性气体对推力的贡献并假设喷出的等离子体速度一致,则推力效率等于效率与推进剂利用率(等离子体质量与推进剂烧蚀总质量之比)的乘积。
对PPT电路和理想PPT的能量分配规律进行分析,发现PPT的能量分配情况会影响PPT的推进性能。
为此,本文提出了多脉冲放电PPT方案,期望将PPT的能量释放方式从单次释放变为多点多时段释放,即将PPT的放电能量分配到多个电容上,按一定的规律,在不同时间和空间释放,期望通过控制PPT能量分配来实现其性能的优化,为设计高效率PPT提供理论参考。