一种用于临近空间飞行器的吸气式电推进技术
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关键词 ：吸气式 电推进 ；临近空 间飞行器 ；单介质 阻挡放 电 中图分 类号 ：Ｖ２３７ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０００—１３２８（２０１６）０２－０２０３－０６ ＤｏＩ：１０．３８７３／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—１３２８．２０１６．０２．０１０
Ａｎ Ａｉｒ·Ｂｒｅａｔｈｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｈｒｕｓｔｅｒ ｆｏｒ Ｎｅａｒ·Ｓｐａｃｅ Ｖ ｅｈｉｃｌｅ
第 ３７卷 第 ２期 ２０１６年 ２月
宇 航 学 报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ
Ｖｏ１．３７ Ｎｏ ２ ． Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１６
一 种 用 于 临 近 空 间飞行 器 的 吸气 式 电推进 技 术
陈 盼 ，武志文 ，刘 向阳，谢 侃 ，王 宁飞
（北 京 理 工 大 学 ，北京 １０００８１）
ｇｅｎｅｒａｔｅ ｔｈｅ ｐｌａｓｍａ，ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｏｒ ｎｅａｒ －ｓｐａｃｅ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｍ ｉｓｓｉｏｎｓ． Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＳＤＢＤ ｐｌａｓｍａ ｓｏｕｒｃｅ，ｔｈｉｓ ａｉｒ—
ｂｒｅａｔｈｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｈｒｕｓｔｅｒ ｃａｎ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ｏｐｅｒａｔｅ ｉｎ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ｆｒｏｍ ｓｅｖｅｒａ ｌ Ｐａ ｔｏ Ｉ ａｒｍ）．Ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ
ＣＨＥＮ Ｐａｎ，Ｗ Ｕ Ｚｈｉ－ｗｅｎ，ＬＩＵ Ｘｉａｎｇ－ｙａｎｇ，ＸＩＥ Ｋａｎ，ＷＡＮＧ Ｎｉｎｇ－ｆｅｉ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ａｉｒ—ｂｒｅａｔｈｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｈｒｕｓｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｓ ｔｈｅ Ｓｉｎｇｌｅ Ｄｉｅｌｅｃｔｒ ｉｃ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ（ＳＤＢＤ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｔｏ
收稿 日期 ：２０１５－０３—１８； 修 回 日期 ：２０１５－０９．２１ 基 金项 目：高等学校博 士学科点专项科研基金 （２０１２１ １０１ １２０００４）
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ａｉｒ－ｂｒｅａｔｈｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ；Ｎｅａｒ—ｓｐａｃｅ ｖｅｈｉｃｌｅ；Ｓｉｎｇｌｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒ ｉｃ ｂａｒｒｉｅｒ ｄｉｓｃｈａ ｒｇｅ
０来自百度文库引 言
临 近空 间 （２３～１００ ｋｍ 空 域 ）所 具 有 的独 特 资 源 和优 势 已 使 其 成 为 各 国关 注 和 竞 相 发 展 的 热 点 ｊ。临近空 间 浮 空 器 作 为 临近 空 间 低 速 飞 行 器 的一 类 ，可实 现对 特定 区域 的长期 、全 天 时高分 辨率 对地观测和高速移动通信 ，可为空天预警 、环境监测 和高速通 信等 应用需 求提供 崭 新 的技 术手 段 Ｊ。 然 而临 近空 间 的复杂环 境使 得 临近空 间浮 空器 的持
久驻 留面 临诸 多 困难 ，制 约 了 临近 空 间 浮空 器 的发 展。针对临近空间浮空器的操控 国内外 已开展了相 关研 究 ，最 常见 的手 段是 引入推 进 系统 ，此外 还有一 些研究 试 图利用周 围环境来进行控制 以减少对 能源 系统 等方 面 的要 求 。
然 而 ，临近 空 间推 进 系 统本 身 即是 限制 临近 空 间飞 行器 发展 的 因素之一 。螺旋 桨 推进 因其 较之 化 学推进质量较小、驱动低速飞行的性能高效 ，是至今 临近空间低速飞行器设计方案 中最 常用 的推进 系
ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ａｉｒ－ｂｒｅａｔｈｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｈｒｕｓｔｅｒ，ａ ｓｉｍｐｌｅ ｔｈｒ ｕ ｓｔｅｒ ｉｓ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｔ ｈｒ ｕ ｓｔ ｉｔ ｐｒｏｄｕｃｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｍｂｉｅｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒ ｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ａ ｍｏｄｅｒａｔｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｎｇｅｓ ｆｒｏｍ １０ ｋＰａ ｔｏ ９０ ｋＰａ，ｔｈｅ ｔｈｒｕｓｔ ｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ １０ 一１０ Ｎ．Ａｔ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｌａｗ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｈｒ ｕｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｖｏｈａｇｅ．Ｗ ｉｔｈ ａ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ， ｔｈｅ ｔｈｒ ｕｓｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｉｒｓｔ ｔｏ ａ ｍａｘｉｍｕｍ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｒａｄｕａ ｌ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｔ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｍａｘｉｍ ｕｍ ｔｈｒ ｕ ｓｔ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｓ ａ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ．
摘 要 ：针对低速 临近空 间飞行器 提出了一种新 型吸气 式 电推 进方案 ，该方案 采用单介 质阻挡放 电 （ＳＤＢＤ） 作为等离子体源 ，因此能在较大气压范 围（数 Ｐａ一１ ａｒｍ）内电离大气产生等离子体并产生推力 。为探究 该吸气式 电 推进方案 的推力性能 ，测量 了实验样机在多个气压和 电压条件下产生 的推力 。推力测量结果显示在 １０—９０ ｋＰａ气 压范 围内 ，实验样机 产生 的推力 在 １０ ～１０ ＩｘＮ量级 ；气压一 定时 ，产生 的推力 与驱动 电压呈幂 次相关 ；而电压一 定 时 ，随着气压 自 １ａｒｍ逐渐降低 ，产生 的推力先增大后减小 ，且达到最大推力的气压与所加驱动电压相关 。
Ａｎ Ａｉｒ·Ｂｒｅａｔｈｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｈｒｕｓｔｅｒ ｆｏｒ Ｎｅａｒ·Ｓｐａｃｅ Ｖ ｅｈｉｃｌｅ
第 ３７卷 第 ２期 ２０１６年 ２月
宇 航 学 报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ
Ｖｏ１．３７ Ｎｏ ２ ． Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１６
一 种 用 于 临 近 空 间飞行 器 的 吸气 式 电推进 技 术
陈 盼 ，武志文 ，刘 向阳，谢 侃 ，王 宁飞
（北 京 理 工 大 学 ，北京 １０００８１）
ｇｅｎｅｒａｔｅ ｔｈｅ ｐｌａｓｍａ，ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｏｒ ｎｅａｒ －ｓｐａｃｅ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｍ ｉｓｓｉｏｎｓ． Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＳＤＢＤ ｐｌａｓｍａ ｓｏｕｒｃｅ，ｔｈｉｓ ａｉｒ—
ｂｒｅａｔｈｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｈｒｕｓｔｅｒ ｃａｎ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ｏｐｅｒａｔｅ ｉｎ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ｆｒｏｍ ｓｅｖｅｒａ ｌ Ｐａ ｔｏ Ｉ ａｒｍ）．Ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ
ＣＨＥＮ Ｐａｎ，Ｗ Ｕ Ｚｈｉ－ｗｅｎ，ＬＩＵ Ｘｉａｎｇ－ｙａｎｇ，ＸＩＥ Ｋａｎ，ＷＡＮＧ Ｎｉｎｇ－ｆｅｉ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ａｉｒ—ｂｒｅａｔｈｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｈｒｕｓｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｓ ｔｈｅ Ｓｉｎｇｌｅ Ｄｉｅｌｅｃｔｒ ｉｃ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ（ＳＤＢＤ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｔｏ
收稿 日期 ：２０１５－０３—１８； 修 回 日期 ：２０１５－０９．２１ 基 金项 目：高等学校博 士学科点专项科研基金 （２０１２１ １０１ １２０００４）
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ａｉｒ－ｂｒｅａｔｈｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ；Ｎｅａｒ—ｓｐａｃｅ ｖｅｈｉｃｌｅ；Ｓｉｎｇｌｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒ ｉｃ ｂａｒｒｉｅｒ ｄｉｓｃｈａ ｒｇｅ
０来自百度文库引 言
临 近空 间 （２３～１００ ｋｍ 空 域 ）所 具 有 的独 特 资 源 和优 势 已 使 其 成 为 各 国关 注 和 竞 相 发 展 的 热 点 ｊ。临近空 间 浮 空 器 作 为 临近 空 间 低 速 飞 行 器 的一 类 ，可实 现对 特定 区域 的长期 、全 天 时高分 辨率 对地观测和高速移动通信 ，可为空天预警 、环境监测 和高速通 信等 应用需 求提供 崭 新 的技 术手 段 Ｊ。 然 而临 近空 间 的复杂环 境使 得 临近空 间浮 空器 的持
久驻 留面 临诸 多 困难 ，制 约 了 临近 空 间 浮空 器 的发 展。针对临近空间浮空器的操控 国内外 已开展了相 关研 究 ，最 常见 的手 段是 引入推 进 系统 ，此外 还有一 些研究 试 图利用周 围环境来进行控制 以减少对 能源 系统 等方 面 的要 求 。
然 而 ，临近 空 间推 进 系 统本 身 即是 限制 临近 空 间飞 行器 发展 的 因素之一 。螺旋 桨 推进 因其 较之 化 学推进质量较小、驱动低速飞行的性能高效 ，是至今 临近空间低速飞行器设计方案 中最 常用 的推进 系
ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ａｉｒ－ｂｒｅａｔｈｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｈｒｕｓｔｅｒ，ａ ｓｉｍｐｌｅ ｔｈｒ ｕ ｓｔｅｒ ｉｓ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｔ ｈｒ ｕ ｓｔ ｉｔ ｐｒｏｄｕｃｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｍｂｉｅｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒ ｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ａ ｍｏｄｅｒａｔｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｎｇｅｓ ｆｒｏｍ １０ ｋＰａ ｔｏ ９０ ｋＰａ，ｔｈｅ ｔｈｒｕｓｔ ｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ １０ 一１０ Ｎ．Ａｔ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｌａｗ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｈｒ ｕｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｖｏｈａｇｅ．Ｗ ｉｔｈ ａ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ， ｔｈｅ ｔｈｒ ｕｓｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｉｒｓｔ ｔｏ ａ ｍａｘｉｍｕｍ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｒａｄｕａ ｌ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｔ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｍａｘｉｍ ｕｍ ｔｈｒ ｕ ｓｔ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｓ ａ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ．
摘 要 ：针对低速 临近空 间飞行器 提出了一种新 型吸气 式 电推 进方案 ，该方案 采用单介 质阻挡放 电 （ＳＤＢＤ） 作为等离子体源 ，因此能在较大气压范 围（数 Ｐａ一１ ａｒｍ）内电离大气产生等离子体并产生推力 。为探究 该吸气式 电 推进方案 的推力性能 ，测量 了实验样机在多个气压和 电压条件下产生 的推力 。推力测量结果显示在 １０—９０ ｋＰａ气 压范 围内 ，实验样机 产生 的推力 在 １０ ～１０ ＩｘＮ量级 ；气压一 定时 ，产生 的推力 与驱动 电压呈幂 次相关 ；而电压一 定 时 ，随着气压 自 １ａｒｍ逐渐降低 ，产生 的推力先增大后减小 ，且达到最大推力的气压与所加驱动电压相关 。