微波电热增强肼复合式推力器放电机理和等离子体流动规律研究

Traditional liquid propulsion with high reliability and the emerging electric propulsion with high performance are two main research directions of the spacecraft attitude and orbit control propulsion system. Combining the liquid propulsion and electrical propulsion technology for their complementary advantages, and developing a new type compound propulsion technology, have an extremely important value for the future advanced space propulsion technology. .The proposed microwave electrothermal augmented hydrazine compound propulsion is a composite propulsion technology combined by monopropellant hydrazine decomposition engine and microwave electrothermal thruster. It has two modes of operation with high, low specific impulse, which is respectively suitable for the big V tasks such as NSSK, orbit transfer, and small V tasks such as orbit maintenance, orbit adjustment. .The main research content contents: modeling the process of plasma discharge and transport in the discharge cavity of microwave electrothermal enhanced hydrazine compound thruster, hydrazine decomposition gas discharge process research, microwave energy coupling mechanism analysis, plasma transport process research with two work modes and the main influence factors analysis for thruster performance. .The result can provide the necessary theoretical foundation for the microwave electrothermal enhanced Hydrazine composited thruster development, and promote the mixture gas discharge mechanism study and the low temperature plasma application development.

目前航天器姿轨控推进系统的主流是传统的高可靠液体推进和新兴的高性能电推进技术。将液体推进和电推进技术有机结合、优势互补，开展新型复合式推进技术研究，对未来先进航天推进技术的进步具有极其重要的价值。本项目提出的微波电热增强肼复合式推进是单组元肼分解发动机和微波电热推力器的复合式推进技术，具有高、低比冲两种工作模式，非常适用于△V较大时的南北位置保持、轨道转移和△V较小的东西位置保持、轨道调整等任务。项目的研究内容主要包括：系统的建立微波电热增强肼复合式推力器放电腔内等离子体放电和流动的数理模型，研究肼分解混合气体的放电过程、微波能量耦合机理、两种工作模式下放电腔内工质流动规律和推力器性能的主要影响因素及影响规律。研究成果可为微波电热增强肼复合式推力器的成功研制提供所必须的理论基础，对混合气体放电机理研究以及低温等离子体应用的发展也有着重要的促进作用。

微波电热增强肼复合式推进技术是将单组元肼分解发动机和微波电热式推力器结合的复合式推进技术，在不同工作模式下具备了液体推进的大推力和电推进技术的高比冲的优良特性，开展微波电热增强肼复合式推进技术相关问题研究对推动新型高性能空间推进技术有重要的促进作用。本项目采用数值仿真和实验诊断相结合的方法研究了肼分解产生的混合气体的放电及与微波能量耦合过程，混合气体放电等离子体在放电腔和喷管内的流动过程。实验方面，利用现有的微波等离子体实验系统，开展了混合气体放电和羽流诊断实验，研究结果表明：肼分解气体N2、H2和NH3均能作为推力器工质，完成点火工作； N2、H2和NH3组成的混合气体也实现了可靠点火，并测得混合气体工质下的羽流等离子体密度为0.5-7×1016m-3。数值仿真方面，建立了混合气体放电和等离子体输运过程仿真模型，其中放电和放电腔内等离子体流动过程仿真结果表明，混合气体放电等离子体电离率较低，中性气体的热运动占主导地位，流动为有旋流动；混合气体放电等离子体在喷管中的流动仿真则表明，混合气体等离子体密度随微波功率升高而升高，但对应一定气体流量条件，等离子体密度存在一个阈值，达到阈值后随微波功率增大，气体温度升高，等离子体密度不再变化。项目研究采用实验的方法验证了微波电热增强肼复合式推进技术的可行性，并结合数值研究分析了微波电热增强肼复合式推力器的工作机制，研究结果为微波电热增强肼复合式推进技术发展奠定了基础。