腔体结构参数对毛细管放电型脉冲等离子体推力器放电特性的影响

摘要

毛细管放电型脉冲等离子体推力器在微纳卫星在轨机动应用中具备良好的发展前景.本文系统研究了单次放电能量5J条件下,不同毛细管腔体尺寸参数对推力器能量沉积特性、烧蚀特性、输出推力参数和等离子体羽流参数的影响规律.实验结果表明,增大毛细管腔体内径会显著降低放电电流密度,减小沉积能量和等效功率;增大腔体长度有助于提升能量传递效率.腔体结构尺寸变化影响单位面积沉积能量和管壁温度,进而改变烧蚀特性.当毛细管内径从1 mm增加至3 mm时烧蚀质量显著下降,随着腔体内径的进一步增大,等效烧蚀质量近似不变;烧蚀质量随毛细管长度的增加持续增大,但单位面积烧蚀质量不断下降.推力器元冲量取决于烧蚀质量与其等效速度,烧蚀特性的差异进一步影响腔体内等离子体密度和等效压强,影响等离子体电热加速过程.毛细管腔体内径和长度的不断增加,使得加速过程滞后于放电和烧蚀过程,作用于加速过程的电弧沉积能量比例降低,降低推力器等离子体喷射速度,元冲量减小,比冲降低,总体效率下降.结合总体效率传递模型分析,毛细管内径对推力器效率的影响主要体现在能量传递效率方面,毛细管长度变化主要影响等离子体电热加速效率,优化推力器总体效率需要从能量沉积效率和加速效率两方面入手.