北航電推進大作業(yè)——吸氣式電推進

1、北航電推進大作業(yè)吸氣式電推進目錄引言21.任務(wù)分析2.地球軌道大氣環(huán)境2.火星軌道大氣環(huán)境42.吸氣式電推進技術(shù)介紹4.工作原理4.技術(shù)指標5.系統(tǒng)方案53.進氣系統(tǒng)（intake）6.結(jié)構(gòu)設(shè)計6方案一7方案二8.系統(tǒng)評估9平衡模型9性能評估（以地球軌道為例）104.推進系統(tǒng)12.方案設(shè)計12.性能評估125.供電裝置136.實驗研究13.實驗系統(tǒng)14.實驗方案15參考文獻17吸氣式電推進引言近地軌道所具有的獨特資源和優(yōu)勢已使其成為各國關(guān)注和競相發(fā)展的熱點。近地軌道空間浮空器作為臨近空間低速飛行器的一類，可實現(xiàn)對特定區(qū)域的長期、全天時高分辨率對地觀測和高速移動通信，可為空天預(yù)警、環(huán)境監(jiān)測和高速

2、通信等應(yīng)用需求提供嶄新的技術(shù)手段。研究新型的推進系統(tǒng)對于推進近地軌道飛行器的發(fā)展具有重要意義。其中，電推進技術(shù)被各國研究人員認為是一種可能的長航時近地軌道飛行器推進方案。一方面，大部分的近地軌道飛行器均設(shè)計利用太陽能和儲能電池來提供工作所需的部分或全部能量，這便為使用電推進技術(shù)提供了條件。另一方面，和傳統(tǒng)螺旋槳推進相比，電推進技術(shù)能夠增加近地軌道飛行器飛行持續(xù)時間、擴大工作高度范圍以及增加有效載荷。至今，電推進技術(shù)已被廣泛研究用于多種空間推進任務(wù)并發(fā)展出了多種類型。但傳統(tǒng)的空間電推進系統(tǒng)都需要攜帶推進劑，這不利于大氣層內(nèi)的長航時飛行任務(wù)，此外部分類型受制于工作原理無法在大氣環(huán)境下正常工作，因此

3、不能將傳統(tǒng)空間電推進系統(tǒng)直接應(yīng)用于近地軌道推進任務(wù)。相比之下，吸氣式電推進技術(shù)很好地克服了這兩個問題。本文將對吸氣式電推進系統(tǒng)進行簡要介紹。1. 任務(wù)分析1.1. 地球軌道大氣環(huán)境近地軌道（leo）的范圍包括從距離地面160km到2000km的空間區(qū)域，極近地軌道（vleo）的范圍包括從距離地面100km到160km的空間區(qū)域。根據(jù)歐空局（esa）的數(shù)據(jù)，當高度低于250km時，吸氣式電推進比傳統(tǒng)的電推進更具有優(yōu)勢，而根據(jù)美國噴氣推進實驗室的研究，abep的最低飛行高度則被設(shè)定在120km從而避免受到過多的熱影響。至于軌道平面，為了便于太陽能電池帆板連續(xù)工作，選擇采用太陽同步軌道（sso）。在

4、該軌道平面內(nèi)，太陽光的方向總是垂直于軌道平面，因此推力器的太陽能電池帆板可以在絕大部分時間內(nèi)以最大功率工作。不過，軌道軌道平面的選擇也要結(jié)合任務(wù)需求而定。地球的大氣是由多種氣體組成的，主要包括氧氣和氮氣。隨著高度的不同，各種氣體成分所占的比例也會發(fā)生變化，如error! reference source not found.所示。圖 1 地球大氣成分隨高度變化從圖中可以看出，在近地軌道和極近地軌道，大氣的主要成分是氧原子和氮氣分子，此外氧氣分子和氬原子的影響也不可以忽略，尤其是在低海拔軌道。此外，每11年一次的太陽活動會對大氣密度造成影響，如error! reference source no

5、t found.所示，在設(shè)計時也要將這一因素考慮在內(nèi)。圖 2 太陽活動對大氣密度的影響1.2. 火星軌道大氣環(huán)境火星大氣比地球大氣要稀薄的多，其主要成分是二氧化碳，包括少量的氧氣以及其他氣體。因此abep主要推進劑為二氧化碳，所需要的電離能要高于氧氣和氮氣。和地球相同，火星的大氣成分比例也是隨著海拔高度而變化的，如所示。圖 3 火星大氣成分隨高度的變化火星大地表壓力只有地球的1%，低密度導(dǎo)致大氣成分對海拔的變化十分敏感。和地球情況相比，abep在火星軌道的工作高度要相對低一些。最大高度位180km，而最低高度為80km，一方面是避免受到過多的熱影響，另一方面則是為了防止攝入塵埃顆粒。2. 吸氣

6、式電推進技術(shù)介紹2.1. 工作原理吸氣式電推進系統(tǒng)（atmosphere breathing electric propulsion system，abep）至少應(yīng)該包括兩大系統(tǒng)，即進氣系統(tǒng)（intake）和電推進系統(tǒng)（electric propulsion thruster）。其基本原理是利用進氣系統(tǒng)捕捉殘余大氣中的氣體分子，將其用于電推進系統(tǒng)的推進劑，電離、加熱后噴出，從而產(chǎn)生一定大小的推力。原理如error! reference source not found.所示，理想情況下，該系統(tǒng)自身無需攜帶任何推進劑便可以產(chǎn)生推力。其工作過程主要包括三部分，吸氣過程、電離過程和加熱過程。其中，電

7、離過程和加熱過程可選擇的方式比較多樣，ecr、空心陰極、介質(zhì)阻擋放點、微波和射頻等均可使用。圖 4 abep原理示意圖2.2. 技術(shù)指標abep的設(shè)計主要考慮以下幾方面的問題：（1） 進氣系統(tǒng)能夠滿足產(chǎn)生指定大小推力所需要的空氣質(zhì)量流量，并且其入口尺寸要與相應(yīng)的航天器兼容；（2） 收集系統(tǒng)能夠根據(jù)推力器的性能要求收集粒子流；（3） 選擇合適的電推進推力器，從而滿足所需要的推力大??；（4） 推力器能夠適應(yīng)由于高度、太陽活動等變化引起入口條件的變化；（5） 推進器在一個典型的地球觀測任務(wù)的功率和質(zhì)量約束下運行的能力。根據(jù)這些問題，對吸氣式點推力器提出以下幾方面的技術(shù)指標，如error! refer

8、ence source not found.所示：表 1 abep技術(shù)指標參數(shù)數(shù)值s/c質(zhì)量<1000 kg入口面積軌道高度地球200 km火星150km工作壽命>5 years推力密度50 mn/kw功率 kw收集效率2.3. 系統(tǒng)方案整個系統(tǒng)主要包括進氣系統(tǒng)、電推進系統(tǒng)和供電系統(tǒng)三部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如error! reference source not found.所示。下文將對這三部分進行詳細介紹。圖 5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3. 進氣系統(tǒng)（intake）3.1. 結(jié)構(gòu)設(shè)計進氣系統(tǒng)的主要功能是收集并輸送大氣粒子到電推進系統(tǒng)。由于近地軌道和極近地軌道大氣的電離度過低，無法使用電磁裝置來收集

9、氣體，因此必須采用機械裝置。進氣系統(tǒng)的一個重要參數(shù)是收集效率：c=nthrnin其中，nthr表示最終通過進氣系統(tǒng)的氣體分子數(shù)，nin表示進入進氣系統(tǒng)的氣體分子總數(shù)。jaxa設(shè)計的進氣系統(tǒng)收集效率高達40%，busek公司設(shè)計的進氣系統(tǒng)收集效率則為20%。nin可以用下式計算：nin=ninvinain氣體質(zhì)量計算公式為：m=mpn其中，mp表示氣體的平均分子質(zhì)量。則推力f為：f=mpnthrvout=mpcninvout=(mpninvinvout)(cain)由此可見，最終的推力大小在設(shè)計上取決于進氣速度、出口速度、收集效率、進氣面積等因素。為了使推力最大化，不僅要使進氣系統(tǒng)有足夠的收集效

10、率，還要使攝入氣流的面積足夠的大。但是，攝入面積的大小也會對s/c受到的阻力造成影響，因此要綜合考慮這兩個因素。3.1.1. 方案一方案一采用一段圓柱通道和簡單圓錐作為入口，其后連接一個圓柱進氣道，進氣道可以直接與推進系統(tǒng)匯合或者可以通過一個供給系統(tǒng)進行增壓后再接入推進系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如error! reference source not found.所示：圖 6 方案一結(jié)構(gòu)設(shè)計這種方式結(jié)構(gòu)簡單，便于加工，但是存在一定的缺陷。氣體來流是不連續(xù)的，其流速基本等于軌道飛行器的速度（在地球軌道約為s，在火星軌道則約為s），因此當氣流通過小管道時，離子之間幾乎不會發(fā)生相互碰撞，氣體分子與壁面的碰撞占據(jù)主導(dǎo)

11、作用。在漫反射的情況下，大多數(shù)粒子在撞擊壁面后會隨機地分散到任意方向，其中絕大部分會沿著來流方向反射回去。即便是在鏡面反射情況下，仍會有大部分粒子被反射回來流方向。由此一來，進氣系統(tǒng)的收集效率會大大減小。為了改進這一不足，一方面可以將入口錐前的圓柱通道加長，從而減少氣體分子的逸出，另一方面可以在入口處引入蜂窩結(jié)構(gòu)，有效的利用來流和分散回流的速度差異。如error! reference source not found.所示為esa設(shè)計的進氣結(jié)構(gòu)，采用的便是方案一所述的設(shè)計。圖 7 esa設(shè)計的進氣結(jié)構(gòu)3.1.2. 方案二方案二采用的是旁路設(shè)計，可以與蜂窩結(jié)構(gòu)相結(jié)合，結(jié)構(gòu)如error! refe

12、rence source not found.所示：圖 8 方案二結(jié)構(gòu)設(shè)計氣流從一個環(huán)形管道進入末端的錐面，中間是衛(wèi)星的子系統(tǒng)。氣流在錐面反射后，會在回流過程中經(jīng)過多重反射，在這一過程中粒子會損失大部分動能，由此可以減少氣流的逸出，大大提高收集效率。日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（jaxa）開發(fā)了一個abep系統(tǒng)，將進氣裝置和推進器耦合為同一個裝置，如error! reference source not found.所示。圖 9 jaxa設(shè)計的進氣系統(tǒng)和電推進系統(tǒng)大氣粒子通過環(huán)形區(qū)域進行收集，當粒子到達入口后部時，撞擊45°的錐形反射器，隨后在衛(wèi)星子系統(tǒng)背面進行反射后進入推進器的加速通道

13、。經(jīng)驗證，該系統(tǒng)可以在壓縮系數(shù)為100200之間實現(xiàn)收集。推進器頭部的壓力達到了1mpa。圖 10 busek公司設(shè)計的進氣結(jié)構(gòu)美國busek公司也開發(fā)出了一種進氣裝置，這是一種帶有末端錐的長開式管道，如error! reference source not found.所示。入口直徑為，入口通道為長達的圓柱管道，入口處設(shè)計為蜂窩狀的吸管結(jié)構(gòu)用于阻擋反射回流。由于管道較長，粒子間存在碰撞級聯(lián)，因而管道后部會形成一個壓縮區(qū)，增壓量可以達到100以上。綜上所述，采用方案二，設(shè)計了如error! reference source not found.所示的進氣系統(tǒng)：圖 11 進氣系統(tǒng)3.2. 系統(tǒng)評

14、估3.2.1. 平衡模型為了評估進氣系統(tǒng)的性能，提出了一個簡單的分析模型。入口部分后面是一個錐形區(qū)域，假設(shè)所有的粒子都已經(jīng)發(fā)生了壁面碰撞，速度為零，只存在由壁溫引起的熱運動，因此，從該錐形區(qū)域流出的粒子均是由熱擴散引起的。一部分流向出口，另一部分流向入口但僅有少數(shù)可以從入口逸出。在這一模型中，從出口流出的粒子量主要取決于結(jié)構(gòu)設(shè)置。通過平衡這些粒子流，就可以估計出各部分的設(shè)計要求。該模型示意圖如error! reference source not found.所示：圖 12 平衡模型示意圖該模型提出了以下幾種假設(shè)條件：來流是自由分子流動；來流的成分單一；來流為理想氣體；完全均勻分布；溫度恒定，

15、t=twall；腔內(nèi)粒子速度均為零。整個模型考慮了三種流動，分別是從入口流入的粒子流、從腔室流回入口的粒子流和流出出口的粒子流。3.2.2. 性能評估（以地球軌道為例）盡管流入的氣流速度很快、密度很低，但在運動過程中會與壁面發(fā)生充分的碰撞，損失大部分動能，從而速度大大降低，最終粒子僅在熱擴散作用下發(fā)生運動。由于入口處設(shè)置為蜂窩結(jié)構(gòu)，盡管有一部分回流可以達到入口，但通過率很低，僅有一小部分可以逸出。（1）質(zhì)量流量查表可以求出200km處的空氣密度為：=1.5×10-10kg/m3進氣速度為：vin=7.8kms=7800m/s進氣面積為：ain=0.521m2進氣質(zhì)量流量為：min=v

16、inain=6.0957×10-7kgs=0.60957mgs（2）阻力計算阻力公式為：fd=0.5afv2cd其中，af為前端表面積，v=vin=7.8kms=7800m/s，cd為阻力系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗選取cd=2.2。最終計算出：fd=7.884mn（3）收集系數(shù)收集系數(shù)計算模型如error! reference source not found.所示：圖 13 收集系數(shù)計算模型收集效率為：c=intake1aoutoutainintake2+aoutout其中，intake1=0.76，intake2=0.212，out=0.2。計算得出：c=0.412滿足設(shè)計要求4. 推進系統(tǒng)

17、4.1. 方案設(shè)計推進系統(tǒng)選用電感加熱等離子體推力器（inductively heated plasma thruster， ipt）。ipt是基于電感耦合等離子體的電力推進系統(tǒng)。主要結(jié)構(gòu)為圓柱形的放電室，以及射頻線圈，如error! reference source not found.所示：圖 14 ipt結(jié)構(gòu)其工作過程如下：射頻線圈在放電室內(nèi)產(chǎn)生一個軸向的時變磁場以及一個感應(yīng)電場，感應(yīng)電場通過電感耦合產(chǎn)生并加速電子，隨后高能電子電離氣體，發(fā)生臉是反應(yīng)，形成等離子體。離子通過柵極加速，從推進系統(tǒng)中向后排出產(chǎn)生推力。 具體設(shè)計結(jié)構(gòu)如error! reference source not fo

18、und.所示：圖 15 ipt推力器4.2. 性能評估ipt推力器的結(jié)構(gòu)簡單，比其它構(gòu)型的離子推力器更容易分析和預(yù)測性能，同時，裝置內(nèi)沒有電極，不需要外加磁場，從而消除了由于侵蝕而引起的放電陰極壽命問題，采用更少的電源便能完成放電。這些因素使得ipt有很好的競爭力。但是ipt也存在一定的缺點。一方面，放電室表面會受到離子的轟擊與材料沉積而對使用壽命造成不利影響，另一方面由于絕緣式放電室的機械強度較低，在制造、環(huán)境測試以及發(fā)射過程中容易產(chǎn)生力學性能問題。此外，ipt的放電損耗通常要高于其他離子推力器，且效率更低。不過，由于ipt的離子生成存在體積效應(yīng)和表面?zhèn)鲗?dǎo)損失效應(yīng)，因此隨著推力器體積/表面積

19、比的增加，推力器的效率也會隨著增大。5. 供電裝置供電裝置要同時為推進系統(tǒng)以及衛(wèi)星的其他子系統(tǒng)同時提供電力，本系統(tǒng)采用太陽能電池陣列以及充電電池作為供電裝置。在陽光照射情況下由太陽能電池陣列直接為各系統(tǒng)供電并且為充電電池充電；在沒有陽光時，則由充電電池來為各系統(tǒng)供電。如所示為esa計算出的當bol系數(shù)為%，使用壽命為7年時，不同功率下對應(yīng)的太陽能電池面積圖 16 不同功率下對應(yīng)的太陽能電池面積根據(jù)選定的技術(shù)指標，壽命設(shè)定為5年，最大功率為，最終確定太陽能電池陣列的面積為12m2。6. 實驗研究6.1. 實驗系統(tǒng)實驗系統(tǒng)主要包括真空系統(tǒng)、實驗樣機、射頻發(fā)生器、流量控制器、微小流量測量儀、微小推力

20、測試臺架。實驗原理示意圖如error! reference source not found.所示：圖 17 實驗原理示意圖實驗樣機如error! reference source not found.所示，電力由射頻發(fā)生器提供，最大功率為20kw，頻率為4mhz。射頻發(fā)生器由直流電源和振蕩器組成。直流電源直接在空氣中散熱冷卻，射頻線圈則采用水冷方式冷卻。圖 18 實驗樣機所用的真空系統(tǒng)包括真空艙、真空泵組和電氣控制柜3部分組成，其中真空艙艙體呈圓柱狀，臥式放置，內(nèi)徑為，長3m。真空泵組包括2臺旋片式機械泵、1臺羅茨泵和1臺油擴散泵。該真空系統(tǒng)可以達到的艙內(nèi)極限壓強在10-5pa量級。如err

21、or! reference source not found.所示為真空艙。微小流量測量系統(tǒng)用來測量進氣系統(tǒng)的出口流量。圖 19 真空艙所用的微小推力測試臺利用位移傳感器將推力作用下天平結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)造成的微小位移轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，從而獲得推力數(shù)據(jù)。實驗時，需要先用砝碼對微推力測試臺進行標定，確定位移傳感器輸出的電壓信號與推力數(shù)值之間的關(guān)系。6.2. 實驗方案（1）大氣環(huán)境模擬近地軌道的環(huán)境相當復(fù)雜，并且不同高度下的環(huán)境差異很大，實驗室條件下難以創(chuàng)造出在各方面都近似實際情況的環(huán)境，因此本實驗僅利用真空系統(tǒng)在室溫下制造出不同氣壓的環(huán)境，進而根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程近似轉(zhuǎn)換為不同大氣密度的環(huán)境進行分析。方法如下：根據(jù)不同的軌道高度，查表獲得大氣密度，根據(jù)理想氣體方程計算出對應(yīng)的大氣壓力，即為實驗時所需的真空艙壓力。（2）吸氣過程模擬真空艙中無法模擬進氣系統(tǒng)在軌道上的真實情況，尤其是氣流速度難以加速到s，因此吸氣過程通過流量控制器來實現(xiàn)。方法如下：根據(jù)不同的軌道高度，查表獲得大氣密度，通過上文提到的公式計算出對應(yīng)的質(zhì)量流量，將進氣系統(tǒng)入口接入流量控制器，調(diào)整來流的質(zhì)量流量，從而模擬進氣系統(tǒng)的吸氣過程。（3）實驗內(nèi)容：模擬abep在不同軌道高度下的吸氣過程，測量進氣系統(tǒng)的出口流量，測量不同軌道高度推進系統(tǒng)所產(chǎn)生的推力；改