基于热化耦合的脉冲电流激励下含能工质烧蚀机理研究

Pulsed Plasma Thruster (PPT)is expected to become the first electric propulsion system used for micro satellites. Propellant could effectively make up for shortage of PPT’s efficiency. Because the ablation mechanism of pulsed current excitation is the key scientific problem, study on the ablation mechanism of propellant could improve PPT’s technical advantage for micro satellites. Thus the objective of this work is to research transient ablation mechanism of propellant through experiment and theory. Firstly emission spectral correction technique is used to test the propellant surface’s temperature in the transient discharge progress, the experiment of ablation mechanism of propellant is carried out. Secondly the steady ablation mechanism is researched. Ablation mechanism model controlled by thermal and chemical coupling is built on the basis of thermal conduction and thermal radiation. Influence rule of physical parameters to ablation parameters can be concluded. Release mechanism of chemical energy in propellant is explained. Finally the transient ablation mechanism is studied. The influence mechanism of propellant formula on ablation evolution is analyzed by physical parameters calculation, progress simulation and experiments verification. In this work the ablation mechanism of propellant under pulsed current excitation based on thermal and chemical coupling will be clearly explained which will direct the propellant for its optimization and applications in PPT.

脉冲等离子体推力器（PPT）有望成为最先用于微小卫星的电推进系统，含能工质则可有效弥补PPT效率低下的缺陷。鉴于脉冲电流激励下工质烧蚀机理是PPT研究的关键科学问题，含能工质烧蚀机理研究有助于强化PPT在微小卫星应用的技术优势，本研究从试验和理论两方面开展含能工质瞬态烧蚀机理研究。为此，首先通过红外光谱修正技术实现放电过程中固体壁面温度瞬态测量，并开展含能工质烧蚀机理实验。其次，开展定常条件下的烧蚀机理研究，在传导/辐射复合传热机制研究的基础上建立基于热化耦合的烧蚀机理模型，获得物性参数对烧蚀参量的影响规律，阐释含能工质化学能在烧蚀中的释放机制。最后，开展瞬态烧蚀机理研究，利用物性参数计算、仿真模拟和验证试验等手段获得组分配比对烧蚀演化的影响机制。研究结果从本质上揭示基于热化耦合的脉冲电流激励下含能工质烧蚀演化机理，为含能工质在PPT的应用和改进指明方向。

脉冲等离子体推力器（PPT）有望成为最先用于微小卫星的电推进系统，含能工质则可有效弥补PPT效率低下的缺陷。鉴于脉冲电流激励下工质烧蚀机理是PPT研究的关键科学问题，含能工质烧蚀机理研究有助于强化PPT在微小卫星应用的技术优势，本研究从试验和理论两方面开展含能工质瞬态烧蚀机理研究。本研究制备了不同组分配比的五种HTPB/AP工质，并使用其开展了含能工质PPT性能与烧蚀机理实验。对其烧蚀质量，放电参数，等离子体特性做了测试，从多个方面对烧蚀过程进行了分析。测试结果表明，不同组分配比的HTPB/AP工质烧蚀质量均小于PTFE，且随着氧化剂AP含量的增加而增加。但其放电参数，等离子体特性与PTFE工质差别不大。此外，本研究还开展了定常条件下的烧蚀机理研究，阐释了含能工质化学能在烧蚀中的释放机制，并且对电热能，化学能和不同工质烧蚀所需能量这些因素对烧蚀过程的影响做了进一步计算与分析。计算结果表明，HTPB/AP工质与PTFE工质烧蚀质量的差别可以用工质烧蚀所需能量的不同来解释；不同氧化剂含量的HTPB/AP工质烧蚀质量变化规律是受化学能释放的量影响的，当氧化剂增加时，化学反应程度增加，释放的化学能增加，导致工质的烧蚀量增加。本研究通过仿真计算，验证了试验中获得的结果，并且获得了组分配比对烧蚀过程的影响机制。另外还有一个新的发现，HTPB/AP工质与PTFE工质能够产生的气体量差别较大，但产生等离子体的电子密度没有显着差异，这是因为HTPB/AP推进剂相对于PTFE工质虽然具有较小的烧蚀质量，但HTPB工质产生电子的能力比PTFE高约3倍左右。研究结果从本质上揭示了基于热化耦合的脉冲电流激励下的含能工质烧蚀演化机理，为含能工质在PPT的应用和改进指明方向。