静电探针对电弧加热发动机等离子体诊断的应用

admin · 发表于 2022-9-12 15:17:48

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电弧加热发动机是一种良好的电推进方案，具有较高的推力密度、推力/功率比、中高的比冲的特点，可以用来进行各种空间探索任务。随着空间探索的深入，对电弧加热发动机喷射的等离子体参数的研究也变得越来越重要了。通过对喷射的等离子体参数进行测量诊断，可以有效评估发动机与航天器的兼容性，还可以检验和指导发动机工作过程的数值模拟研究。为了测量电弧加热发动机喷出等离子体参数，本文建立了一套静电探针诊断系统，包括静电探针本体、探针电源和诊断电路、探针位移机构以及数据采集设备。该系统可以方便地进行单探针及多探针的测量。在对探针采集数据的分析过程中，发现探针吸收的电子电流受到探针表面污染的影响严重，因此在分析数据时，主要分析探针收集的离子电流区域。对于本实验中的等离子体，根据发动机的不同工况，可使用离子电流的ABR理论、BRL理论和OML理论中的一种分析探针数据。三探针测量时同样受探针污染影响严重。三探针测量装置比单探针简单，且能够测量到等离子体的瞬态变化，但三探针测量结果不能显示探针工作于何种状态，因此不容易选择数据解释理论。本文发展了基于ABR理论的三探针数据分析方法。本文分别用单探针和三探针对以氮气为推进剂的1kW级电弧加热发动机喷出等离子体进行了测量。单探针的测量结果显示，等离子体的电子数密度沿着发动机轴向和径向减小，且沿径向减小更快，电子温度无明显的变化趋势，而是散布于一定的温度范围之内；在相同弧电流和推进剂流量条件下，由于发动机的不稳定，弧电压会出现波动，电子数密度随着弧电压的增加而增大，电子温度则相反；在相同推进剂流量条件下，电子数密度随电弧电流的增加而减小，电子温度则相反；在相同弧电流的条件下，电子数密度随发动机比功率的增加而减小。三探针测量结果也显示出的电子数密度随着与发动机喷口距离的增加而减小的趋势，与单探针不同，三探针还得到电子温度沿着轴向也存在逐渐衰减的趋势。三探针结果还显示，电子温度随着弧电流的增加而增加，而电子数密度则随着弧电流的增加而减小。等离子体参数的空间分布以及与电弧加热发动机参数对其的影响与国外实验结果的分布一致，通过与国外以氮氢混合气体作为推进剂的诊断比较显示，以氮气为推进剂时，发动机喷出等离子体的电子温度和电子数密度比氮氢混合气体作为推进剂时高。

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