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[color=#990000]摘要:针对各种微纳卫星电热等离子体微推进器,以口袋火箭这种工作在0.1~10torr低气压范围内的微推进器为例,分析了不同工质气体和不同低气压对羽流特征所产生的影响,说明了低气压精确控制的重要性。关于推进器低气压精确控制这一技术问题,本文详细介绍了具体实施方法,进行了考核试验,试验结果证明低气压控制波动度可以达到±1%以内。最终本文对测试方法进行了优化,提出了更实用化的全量程低气压精确控制技术方案。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000] 一、问题的提出[/color][/size]近年来,随着微纳卫星(NanoSat)的快速发展,对小体积、轻质量、低成本和高效率的微推进器提出了迫切需求,由此需要开展推进器的等离子体羽流特征等物理性能的测试评价研究。等离子羽流特征会受到工质气体和环境气压的明显影响,以国外口袋火箭羽流性能测试为例分析低气压精确控制的必要性和重要性。口袋火箭(Pocket Rocket)作为一种微纳卫星应用中的典型代表,是一种电热式射频等离子体推进器,可实现μN~mN 量级的推力。口袋火箭因其体积小且采用电容性射频放电,可在小功率条件下获得高密度等离子体射流,且重量轻、成本低、推力小、比冲大,能以阵列形式工作,特别适合配备微纳卫星和长期提供动力。如图1所示,卧式真空仓为口袋火箭等离子体羽流特征的测试提供低气压环境。该真空仓是一个多功能低气压环境模拟试验腔体,可集成多种试验设备用于各种等离子推进器的性能测试评价。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300957211181_7104_3384_3.jpg!w690x517.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 WOMBAT推进器试验装置[/color][/align][align=left][/align][align=left]如图2所示,为了形成低气压环境,真空仓配备有分子泵、机械泵、电离真空计和电容压力计,真空仓能够达到0.93mPa 的基准真空度。测试中的气体工质通常采用氮气和氩气。[/align][align=right][/align][align=center][color=#990000][img=低气压控制,690,295]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300957469237_3688_3384_3.jpg!w690x295.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 WOMBAT推进器试验装置结构示意图[/color][/align]在射频电源功率和频率分别为20W和13.56MHz条件下,并在不同低气压下对口袋火箭的羽流特性进行了测试,图3是不同工质气体在不同气压下出射等离子体羽流的实验照片。其中图a为约1.5torr低压氩,图b为约4.0torr高压氩,图c为约1.0torr低压氮,图d为约7.0torr高压氮。从图中可以看出,在高气压下氮气和氩气的羽流均呈一定的锥角扩散,而低气压下均为准直射光束,但这些特征对于产生推力的影响尚不清楚,还需要进一步研究。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,690,500]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300957590245_7203_3384_3.jpg!w690x500.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 不同工质气体和不同气压下电热等离子体微推进器膨胀羽流的数字图像[/color][/align]综上所述,不同工质气体和不同低气压会对羽流特征产生明显影响,口袋火箭这种微推进器工作在0.1~10torr的低气压范围内,在此范围内测试评价羽流特性就需要对低气压进行精确控制。本文将针对低气压控制,详细介绍具体实施方法,并对实施方法进行试验考核,最终对实施方法进行优化,提出了低气压全量程的精确控制技术方案。[size=18px][color=#990000]二、低气压精确控制方法和试验考核[/color][/size]所谓低气压,一般是指低于1个标准大气压的绝对压力,范围为0.1~760torr,准确测量低气压目前普遍采用的是电容压力计,通常会采用10torr和1000torr两个不同量程的电容压力计来覆盖整个低气压范围的测量。通常,模拟试验装置真空仓需要通过进气和排气方式进行低气压控制,根据气流方向,一般将进气端定义为上游,真空泵排气端定义为下游。依据控制精度一般采用上游和下游两种控制模式,由此来实现不同量程(10torr和1000torr)的低气压准确控制。如图4所示,上游模式是维持上游压力和出气口流量,通过调节进气口流量控制仓室压力。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,400,421]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300958123451_6159_3384_3.jpg!w400x421.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4 低气压上游控制模式[/color][/align]如图5所示,下游模式是维持上游压力和进气口流量,通过调节排气口流量控制仓室压力。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,450,393]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300958232096_7296_3384_3.jpg!w450x393.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5 低气压下游控制模式[/color][/align]针对上述两种控制模式,分别采用1torr和1000torr两只电容压力计和24位高精度压力控制器进行了考核试验,试验装置如图6和图7所示。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,690,464]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300958322992_8227_3384_3.jpg!w690x464.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图6 低气压上游控制模式考核试验装置[/color][/align][align=center][color=#990000][/color][/align][align=center][color=#990000][img=低气压控制,690,426]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300958424109_3718_3384_3.jpg!w690x426.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图7 低气压下游控制模式考核试验装置[/color][/align]在上游模式试验过程中,首先开启真空泵后使其全速抽气,然后在 68Pa 左右对控制器进行 PID参数自整定。自整定完成后,分别对 12、27、40、53、67、80、93 和 107Pa共8个设定点进行了控制,整个控制过程中的气压变化如图8所示。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,600,363]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300958580425_7569_3384_3.jpg!w690x418.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图8 上游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align]在下游模式试验过程中,首先开启真空泵后使其全速抽气,并将进气阀调节到微量进气的位置,然后在300torr左右对控制器进行PID参数自整定。自整定完成后,分别对 70、 200、 300、450 和 600Torr 共5个设定点进行了控制,整个控制过程中的气压变化如图9 所示。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,600,357]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300959162394_4124_3384_3.jpg!w690x411.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图9 下游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align]将上述不同低气压恒定点处的控制效果以波动率来表示,则得到图10和图11所示的整个范围内的波动率分布。从波动率分布图可以看出,在整个低气压的全量程范围内,波动率可以精确控制在±1%范围,在12Pa处出现的较大波动,是因为采用 68Pa处自整定获得的PID参数并不合理,需进行单独的PID参数自整定。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,600,337]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300959335886_7215_3384_3.jpg!w690x388.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图10 上游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align][align=center][color=#990000][/color][/align][align=center][color=#990000][img=低气压控制,600,371]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300959557611_9052_3384_3.jpg!w690x427.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图11 下游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align][size=18px][color=#990000]三、全量程低气压精确控制实施方案[/color][/size]从上述气压精确控制方法可以看出,可以根据实际需要选择不同的控制模式,如10torr以下的低气压控制可以选择采用上游模式,10~1000torr范围的高气压控制可以选择采用下游模式。在大多低气压环境模拟试验设备中,特别是针对推进器性能测试需要,需要在整个低气压范围内能实现气压的精确控制,并能实现自动化,因此单独使用或切换上游和下游控制模式并不是最佳选择。为实现低气压全量程范围内的自动化精确控制,我们对上游和下游两种模式进行了集成,提出了双向控制模式的技术方案,整体方案布局如图12所示。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,500,407]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112301000121162_7843_3384_3.jpg!w500x407.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图12 低气压全量程双向控制模式技术方案真空系统布局图[/color][/align]在低气压全量程控制过程中,需要采用两只不同测量范围的电容式真空计来进行全量程覆盖,也可以材料一直电容式真空计和一直电离式真空计覆盖更宽的低气压范围。在双向控制模式的技术方案中,对控制器和电动阀门提出了更高要求,主要体现在以下几个方面:(1)要求具有可同时连接两个真空传感器的能力,并可根据低气压测量值在两个真空传感器之间进行切换,实时准确的进行低气压测量和控制。(2)控制器需要具有很高的测量精度,如24位A/D采样精度,以适应不同真空计测量精度的要求,并充分发挥真空计的测量能力。(3)在双向控制模式中,还要求真空压力控制器具有正反向控制功能,即对上游电动针阀用反向控制,对下游电动球阀用反向控制。(4)在双向控制模式中,负责上下游气体流量调节的电动针阀和电动球阀需要交替工作,因此这些电动阀需要具有尽可能快的响应速度,真空仓室越小,气压惰性越小,响应速度要求越快,一般要求是阀门从全闭到全开的时间为2秒以内甚至更低。总之,通过采用上述双向模式的低气压控制方案,特别是采用了新型高性能真空压力控制器和高速电动阀门之后,可以实现低气压全量程的精确控制。[size=18px][color=#990000]四、参考文献[/color][/size][1] Corr C S, Boswell R W. Nonlinear instability dynamics in a high-density, high-beta plasma[J]. Physics of Plasmas, 2009, 16(2): 022308.[2] Greig A, Charles C, Boswell R. Plume characteristics of an electrothermal plasma microthruster[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2014, 42(10): 2728-2729.[3] Petkovic M, Pollara R. Dual-purpose space simulation facility for plasma thruster and satellite testing[C]//28th Space Simulation Conference. 2014.[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]
2013年02月21日 来源: 腾讯科学 腾讯科学讯(Everett/编译)据国外媒体报道,传统的火箭发动机以化学能燃烧为动力,科学家预计未来行星际航行的宇宙飞船需要配备跨时代的火箭引擎,一种被称为电火箭发动机的技术进入了人们的视野,采用电能加速工质产生高速喷射流驱动飞船前进。应用这种技术打造的动力系统也被称为霍尔推进器,其通过轴向电场产生喷射离子推进,与化学能火箭发动机最大的不同之处是利用电能来形成离子化的推进动力,在现有的空间探测器中,离子驱动技术已经成功用于姿态控制等操作。http://www.stdaily.com/stdaily/pic/attachement/jpg/site2/20130221/2c27d71a3b3d128fb9d106.jpg美国宇航局JPL实验室测试“深空一号”离子推进器 电推发动机技术之所以没有普及,是因为放电通道壁存在“侵蚀”问题,位于加州理工学院的JPL实验室小组已经找到了一个方法可以有效地控制通道壁被离子轰击导致的“侵蚀”现象。当放电室中的电子与推进器原子发生碰撞时,就会在霍尔推进器中产生离子,在外加电磁场作用下形成向前的推力。磁场大多是垂直于放电通道的边壁上,而电场则平行于边壁,叠加之后可将离子加速至非常高的速度,即大于每小时7.2万千米,最后由尾喷口喷射出形成推力。 然而,放电室的一些离子对通道边壁可产生“侵蚀”效应,根据理论和数值模拟,研究小组设计了沿着边壁的磁场线分布,使之对等离子体的影响降至最小,将电场方向进行了修改,大大降低了加速离子过程对边壁的“侵蚀”。研究人员将其称为新的磁场屏蔽法,对真空状态的推力驱动装置进行部分修改,综合模拟和实验结果显示,可将加速离子的侵蚀程度减少100至1000倍,本项研究成果刊登在美国物理研究所《应用物理快报》上。
据国外媒体报道,庞大的粒子加速器正在探索非常微小的世界,但是类似的技术或许有一天可以促进缝衣针大小的飞船进行远距离飞行,甚至是在恒星系间来往穿梭。通过研究纳米推进器(作用相当于便携式粒子加速器),或许可以在我们的有生之年把微型飞船的速度加速到接近光速,并用它们探索附近的恒星。 欧洲粒子物理研究所耗资100亿美元建造的大型强子对撞机,其目的是确定宇宙是由什么构成的。这个周长达17英里的机器可以把带电质子的速度加速到接近光速。一旦带电质子达到最高速度,它们就会与目标相撞,发生爆炸,生成奇异物质供科学家研究。有一天这种原子撞击的方法可能会给我们展示更多有关其他宇宙区域是由什么构成的信息。它们或许将引领我们到达那里。 从20世纪50年代开始,人类发射大量飞船,前去探索我们的太阳系。我们向每一颗行星(其中包括身份可疑的星体,例如冥王星和冥卫一)、太阳、众多卫星、小行星和彗星发射探测器。最近火星车在这颗红色行星上艰难跋涉,人造卫星围绕地球、月球、火星、金星和土星轨道进行科学研究。但是仅有为数不多的几个探测器走出了我们的太阳系,慢吞吞地飞往更加遥远的区域。例如,“旅行者”号探测器的运行速度大约是每小时40000英里,仅相当于光速的0.00006%。 我们还从没走出庞大的星际空间,探测距离我们最近的恒星——比邻星(Proxima Centauri)。星际空间大的令人难以置信。航天飞机围绕距离地球大约250英里的轨道运行,月球在距离地球大约250000英里的上空飞行。火星距离太阳大约1.4亿英里。而最近的恒星距离地球大约有4.2光年。这意味着从地球发射一束光,它需要用4年多,行进24万亿英里,才能到达距离我们最近的恒星。如果飞船的速度不能达到光速,在一个人的有生之年探索另一颗恒星的目标似乎是不可能实现的。然而事实证明,这个目标实现的可能性显然比听起来更大一些。 进行星际空间探索的办法是利用可以达到令人难以置信的速度的微型飞船,或称纳米飞船。粒子加速器里的质子之所以能达到接近光速的速度,是因为它们非常小,而且非常轻。与此同理,非常小的无人太空探测器也将非常轻,可以达到接近光速的速度,可以进行星际空间探索。密歇根大学(University of Michigan)的研究人员正在制造纳米发动机,有一天这种发动机将能掀起一场迷你飞船新潮流。 布莱恩吉尔斯特(Brian Gilchrist)和他的同事们正在研发利用纳米粒子作为推进材料的推进器。这项研究工作由美国空军资助。这种发动机大部分都是利用微机电系统技术(MEMS),直接在极薄的硅片上雕刻的。这种技术在半导体工业领域应用非常广泛。该发动机的厚度不超过半英寸(1厘米,其中包括燃料),拥有好几万个加速器,可以安装在一个不比邮票大的地方。这些“粘贴”上的推进器可以给微型飞船提供能量,让它们飞到很远的地方。 这种工艺被称作“纳米粒子场提取推进器(nano-particle field extraction thruster)”。微小的推进器的工作原理跟庞大的粒子加速器的迷你版本非常类似。这种装置利用堆叠在一起的很多微米厚度的“门”,在导电层和绝缘层之间交替运行,产生电场。这些小但强大的电场给一个导电纳米粒子团充电,并给这些粒子加速,把它们发射到太空,生成快速运行的粒子流。 吉尔斯特说:“在这种情况下,粒子加速器利用电场给带电粒子加速,这些正是现在我们在进行的工作。”由于太空中没有摩擦力,微型飞船经过一次加速,就可以在数年里继续加速。最终达到接近光速的速度,携带着科学仪器飞往其他恒星。然而目前这种纳米粒子推进器还将继续呆在我们的太阳系里。据吉尔斯特说:“这种技术在距离地球更近的地方有很多实际应用途径。”作者:孝文 来源:新浪科技 发布时间:2009-7-13 13:27:04