胶体推力器模拟仿真与实验研究

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随着航天科技的不断发展,微小卫星的应用变得十分广泛。由于微小卫星的体积较小,传统的化学推进系统将不再适用。电推力器作为一种利用电能产生推力的新型推进系统,以其独特的工作方式,恰好能满足微小卫星的推进要求。胶体推力器作为电推力器中的一种,以电介质液体作为工质,利用电能电离、加速工质液体从而产生推力。胶体推力器与其他电推力器相比,具有精度高、比冲高等优势,在国外的研究已比较成熟。我国对胶体推力器的研究起步较晚,目前处于理论研究阶段,还没有实现具体的应用,而这种高精度、高比冲的电推力器必定会在今后的航天任务中发挥其优势,登上时代的舞台。本文通过对大量国内外文献的调研,总结归纳了胶体推力器在国内外的研究进展,并且分析总结了胶体推力器制造过程中的关键技术,即发射极毛细管与推进剂供给元件制造技术、中和技术、长寿命技术和微推力测量技术;基于有限元分析方法,结合电流体动力学理论,运用COMSOL Multiphysics软件对胶体推力器的工作过程进行模拟仿真,分析了工质在电场中的受力情况,对泰勒锥的形成过程进行探究,并且通过改变施加电压、外部压强等边界条件,研究不同条件下仿真的结果,分析其中的原理,对每一种现象做出相应的解释。通过仿真模型的计算可以发现:胶体推力器稳定工作需要合适的供液压强和工作电压,当胶体推力器的工作电压小于稳定工作值时,由于产生的电场力小于工质的表面张力,离子和小液滴无法从工质中挣脱,泰勒锥无法形成;当胶体推力器工作电压大于稳定工作值时,整个喷射系统呈现一种不稳定的现象,主要是因为发射极表面将出现多个泰勒锥的趋势;当胶体推力器的供液压力大于稳定工作值时,由于入大于出,泰勒锥尖端分解机制会被破坏,工质会流出使发射极和抽取极连接从而发生短路,使得推力器无法正常工作;当胶体推力器供液压力小于稳定工作值时,由于供液不足,推力器的工作效率将受到影响。在建立了仿真模型后,利用理论公式计算和具体实验现两种方式验证了仿真模型准确性。通过胶体推力器模型的建立,可以对今后实际的设计制造过程提供指导,为我国胶体推力器后续的发展提供一定的帮助。
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