1kW级电弧火箭电源调理单元的研制

摘要

目前,电推进装置已广泛地用于空间飞行任务,优越的性能使其正在逐步取代单、双组元等传统的化学推进系统。电弧火箭推进系统(Arcjet)是其中的一种,因其有较高的推力/功率比、推力密度、中高的比冲以及良好的系统继承性和可靠性等特点,成为当前国际上电推进研究和应用的热点之一,在空间任务应用中已经创造了良好的效益。尽管电弧火箭推进系统在性能上存在着众多的优点,但是,这些优点的充分发挥是离不开一个体积小、效率高、稳定性好的电弧火箭电源的支持的。 本文通过对电弧火箭推进系统电特性的详细分析,得出了电弧火箭电弧稳定工作对电源调理单元的技术要求,即电源调理单元输出为恒流特性叠加正斜率控制,同时电源调理单元工作在高电压,小电流输出模式能更好的维持真空等离子电弧的稳定燃烧。只有保证PCU工作的伏安特性与电弧工作的伏安特性相匹配,才能保证发动机的工作性能。 本文基于逆变电源脉宽调制技术与峰值电流型控制原理,以MOSFET为主功率器件,采用推挽主电路拓扑结构研制了一台电弧火箭电源调理单元。通过增加PCU输出电压的闭环反馈电路,可以使PCU的输出外特性呈现正阻性,来保证电弧的稳定燃烧。并进行了点火电路设计、热设计和损耗分析。 利用研制的电源调理单元,采用氮氨混合气体来模拟肼推进剂分解后的产物,对不同结构电弧推力器的工作过程和性能进行了测试,测量的基本参数有推进剂流量、电源电压和电流、推力和真空度等。分析了电源参数对系统点火和推力器工作点特性的影响,及推进剂流量对发动机推力和比冲性能的影响。本电源调理单元及试验测试结果对电弧火箭推进系统工程应用具有重要的参考价值。为我国电弧火箭的实际应用打下了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2电推进简介

1.2.1电推进概述

1.2.2电推进的分类及特点

1.3电弧火箭推进技术研究现状

1.4本课题主要研究内容

第2章电弧火箭推进系统电特性分析

2.1电弧火箭推进系统的工作原理

2.2电弧火箭推进系统电弧工作模式分析

2.3电弧火箭推进系统电弧的物理特性

2.4.电弧火箭推进系统对PCU的性能要求

2.5本章小结

第3章电源调理单元主电路设计

3.1电源总体构架

3.2主电路工作原理

3.3主电路参数设计

3.3.1输入滤波电容的设计

3.3.2高频变压器的设计

3.3.3功率器件的选择

3.3.4缓冲电路设计

3.3.5输出电感设计

3.4点火电路设计

3.5热设计分析

3.6系统损耗分析

3.6.1功率器件损耗

3.6.2主变压器损耗

3.6.3整流电路损耗

3.6.4输出电感损耗

3.7本章小结

第4章电源调理单元控制系统设计

4.1控制系统总体设计

4.2峰值电流型控制设计

4.2.1峰值电流型控制原理

4.2.2峰值电流型控制缺点及斜坡补偿分析

4.2.3双闭环反馈补偿网络设计

4.3正斜率外特性电路设计

4.4驱动电路设计

4.5保护电路设计

4.7本章小结

第5章点火实验研究

5.1电源指标测试

5.1.1点火能力测试

5.1.2稳态实验结果

5.1.3动态实验结果

5.2地面实验系统组成

5.3地面点火实验分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢