等离子发动机羽流区的光谱诊断及模式识别

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景随着商业和航天任务对卫星的精确定位、轨道保持、姿态控制等性能要求的增加，对卫星推进器的性能提出了更高的要求，人类开始探索和应用新的推进技术来满足不同飞行任务的需要，在这样的情况下电推进技术逐渐发展起来。与传统的化学推进相比，电推进器提供的推力小，在引力很小的太空环境中，电推进能够充分的发挥自身的优势，这类推进器的特点是体积小，结构紧凑，推力小，比冲大、寿命长，能够提高卫星的有效载荷，节约发射成本，能完成远距离的探测任务。目前电推进器主要应用于卫星变轨、姿态控制、南北轨道保持、卫星变轨等任务[1,2,3]

2、。电推进按工质的加速方式分为三种类型：电热式、静电式、电磁式。电推进器已有多种推进系统投入研究和使用，主要有稳态等离子推进器（SPT）、离子推进器、电弧推进器、电阻加热推进器和脉冲等离子推进器，其中发展最好的是稳态等离子体发动机，属电磁式推进[4]。目前已有近百台稳态等离子推进器成功的完成了飞行任务。早在60年代初，美、苏两国就各自有人开始研究SPT推进器，但美国的研究工作因当时未能达到高的推力效率而中止。而在前苏联，一直在坚持研究，并取得很大的成功。霍尔推进器（稳态等离子推进器属于其中一种）的概念由前苏联的Morozov教授于1962年提出，他领导的研究

3、小组在1969年初，完成了发动机的样机设计，通过火炬设计局工程师们的改进，1971年底，此型号发动机被安装在流星号卫星上，实现了成功发射并准确入轨。1982年火炬设计局成功研制了第一个霍尔推进器的正式产品SPT-70，1994年成功研制了新一代的霍尔推进器SPT-100，之后他们在原来发动机构型改进的基础上又研制出了第二代的SPT（即ATON），效率由第一代的55%达 到了第二代的约70%[5]。目前SPT-100仍是霍尔推进器的主流产品，SPT-70和SPT-100是目前技术最成熟和使用最多的霍尔推进器，先后在俄罗斯、法国、美国等国家的几十颗卫星平台上得

4、到应用，成为电推进系统商业应用的典范。法国与俄罗斯合作在SPT-100上进行改进，开发了PPS1350霍尔推进系统，已经成功地得到应用，在2003年发射的Eurostar3000平台上就使用-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文了这种发动机[6]。目前俄罗斯、美国、中国、法国、日本是研究稳态等离子推进的主要国家。图1-1是等离子发动机的剖面图，SPT主要由阴极、阳极、气体分配器、励磁线圈、陶瓷壁面及其它辅助器件组成，对于第二代SPT，增加了缓冲腔的结构；主要工作机理是：在发动机的阳极和阴极间施加轴向的电场，由带电线圈产生径向方向的磁场，电子被磁场束缚，做周向

5、的hall漂移，与通道内的中性原子碰撞，产生离子，离子被电场加速高速喷出从而产生推力。由于离子的质量与电子的质量相比较大，离子的运动几乎不受磁场的影响[7][8]。图1-1推进器的剖面图对于太空推进装置（电推进器或化学推进器），羽流区的研究主要集中在以下几个方面[9]：第一个研究点是对于推进器性能的优化。羽流中的离子只有轴向速度的冲量才对推力有贡献，所以发散角的大小对推进器的效率有很大影响，通过改进羽流发散角大小，由原来第一代的半角大约为45度发展到现在第二代的半角约为11度，这使得推进器的效率有了很大的提高。第二个研究点是评价推进器羽流和它的卫星、飞船的

6、相互作用，对于SPT表现在：1.1中性气体和快离子的碰撞会产生慢离子，慢离子会被沿径向加速并且回流到推进器的前面从而对飞船造成腐蚀和电荷的积累[10]。1.2由于SPT的羽流呈现等离子体状态，对电磁波有屏蔽的作用，可能对飞船上的通信有影响。1.3羽流区的辐射会影响星载器件的温度场分布，同时会对光学仪器产生干-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文扰。基于以上问题的研究我们不仅要对羽流的成分、发散角等总体结构有了解并且要知道羽流中等离子体的物理参数，要解决这些问题我们可以通过做实验的方法和建立模型的方法，实际上这两种方法都得到了发展，并且都有自己的优点和不足之处

7、。光谱诊断是目前等离子发动机性能诊断常用的几种实验方法之一，属非接触式测量方法，与其它几种方法相比有着独特的优势，这种方法避免了对羽流流场的干扰，可以对多种粒子的参数进行同时测量，对发动机的某些性能参数进行测量直观、方便，可以对羽流成分的组成、浓度、分布、电离率、辐射等展开研究，同时也可以对发动机的腐蚀情况进行研究，这与传统的寿命和腐蚀实验相比节约实验的成本，提高了测量的效率。由于等离子发动机工作时，内部发生的物理机制复杂，影响发光的机理较多，光谱模型对对象的描述不是很精确，导致光学测量的精度不高，应用不是特别广泛，但对于中性气体的研究，除光学测量外并无其

8、它的办法。光学测量虽精度不高，但对于研究发动机内部的物理机理仍然提