北航电推进大作业——吸气式电推进

目录引言...........................................................................................................................31.任务分析.............................................................................................................31.1.地球轨道大气环境........................................................................................31.2.火星轨道大气环境........................................................................................52.吸气式电推进技术介绍.......................................................................................52.1.工作原理......................................................................................................52.2.技术指标......................................................................................................62.3.系统方案......................................................................................................73.进气系统（Intake）............................................................................................73.1.结构设计......................................................................................................73.1.1.方案一...................................................................................................83.1.2.方案二...................................................................................................93.2.系统评估....................................................................................................103.2.1.平衡模型.............................................................................................103.2.2.性能评估（以地球轨道为例）..............................................................114.推进系统...........................................................................................................134.1.方案设计....................................................................................................134.2.性能评估....................................................................................................145.供电装置...........................................................................................................146.实验研究...........................................................................................................156.1.实验系统....................................................................................................156.2.实验方案....................................................................................................16参考文献..................................................................................................................18吸气式电推进引言近地轨道所具有的独特资源和优势已使其成为各国关注和竞相发展的热点。近地轨道空间浮空器作为临近空间低速飞行器的一类，可实现对特定区域的长期、全天时高分辨率对地观测和高速移动通信，可为空天预警、环境监测和高速通信等应用需求提供崭新的技术手段。研究新型的推进系统对于推进近地轨道飞行器的发展具有重要意义。其中，电推进技术被各国研究人员认为是一种可能的长航时近地轨道飞行器推进方案。一方面，大部分的近地轨道飞行器均设计利用太阳能和储能电池来提供工作所需的部分或全部能量，这便为使用电推进技术提供了条件。另一方面，和传统螺旋桨推进相比，电推进技术能够增加近地轨道飞行器飞行持续时间、扩大工作高度范围以及增加有效载荷。至今，电推进技术已被广泛研究用于多种空间推进任务并发展出了多种类型。但传统的空间电推进系统都需要携带推进剂，这不利于大气层内的长航时飞行任务，此外部分类型受制于工作原理无法在大气环境下正常工作，因此不能将传统空间电推进系统直接应用于近地轨道推进任务。相比之下，吸气式电推进技术很好地克服了这两个问题。本文将对吸气式电推进系统进行简要介绍。1.任务分析1.1.地球轨道大气环境近地轨道（LEO）的范围包括从距离地面160km到2000km的空间区域，极近地轨道（VLEO）的范围包括从距离地面100km到160km的空间区域。根据欧空局（ESA）的数据，当高度低于250km时，吸气式电推进比传统的电推进更具有优势，而根据美国喷气推进实验室的研究，ABEP的最低飞行高度则被设定在120km从而避免受到过多的热影响。至于轨道平面，为了便于太阳能电池帆板连续工作，选择采用太阳同步轨道（SSO）。在该轨道平面内，太阳光的方向总是垂直于轨道平面，因此推力器的太阳能电池帆板可以在绝大部分时间内以最大功率工作。不过，轨道轨道平面的选择也要结合任务需求而定。地球的大气是由多种气体组成的，主要包括氧气和氮气。随着高度的不同，各种气体成分所占的比例也会发生变化，如图1所示。图1地球大气成分随高度变化从图中可以看出，在近地轨道和极近地轨道，大气的主要成分是氧原子和氮气分子，此外氧气分子和氩原子的影响也不可以忽略，尤其是在低海拔轨道。此外，每11年一次的太阳活动会对大气密度造成影响，如图2所示，在设计时也要将这一因素考虑在内。图2太阳活动对大气密度的影响1.2.火星轨道大气环境火星大气比地球大气要稀薄的多，其主要成分是二氧化碳，包括少量的氧气以及其他气体。因此ABEP主要推进剂为二氧化碳，所需要的电离能要高于氧气和氮气。和地球相同，火星的大气成分比例也是随着海拔高度而变化的，如所示。图3火星大气成分随高度的变化火星大地表压力只有地球的1%，低密度导致大气成分对海拔的变化十分敏感。和地球情况相比，ABEP在火星轨道的工作高度要相对低一些。最大高度位180km，而最低高度为80km，一方面是避免受到过多的热影响，另一方面则是为了防止摄入尘埃颗粒。2.吸气式电推进技术介绍2.1.工作原理吸气式电推进系统（AtmosphereBreathingElectricPropulsionSystem，ABEP）至少应该包括两大系统，即进气系统（Intake）和电推进系统（ElectricPropulsionThruster）。其基本原理是利用进气系统捕捉残余大气中的气体分子，将其用于电推进系统的推进剂，电离、加热后喷出，从而产生一定大小的推力。原理如图4所示，理想情况下，该系统自身无需携带任何推进剂便可以产生推力。其工作过程主要包括三部分，吸气过程、电离过程和加热过程。其中，电离过程和加热过程可选择的方式比较多样，ECR、空心阴极、介质阻挡放点、微波和射频等均可使用。图4ABEP原理示意图2.2.技术指标ABEP的设计主要考虑以下几方面的问题：（1）进气系统能够满足产生指定大小推力所需要的空气质量流量，并且其入口尺寸要与相应的航天器兼容；（2）收集系统能够根据推力器的性能要求收集粒子流；（3）选择合适的电推进推力器，从而满足所需要的推力大小；（4）推力器能够适应由于高度、太阳活动等变化引起入口条件的变化；（5）推进器在一个典型的地球观测任务的功率和质量约束下运行的能力。根据这些问题，对吸气式点推力器提出以下几方面的技术指标，如表1所示：表1ABEP技术指标参数数值S/C质量1000kg入口面积0.521m2轨道高度地球200km火星150km工作寿命5years推力密度50mN/kW功率3.5kW收集效率0.462.3.系统方案整个系统主要包括进气系统、电推进系统和供电系统三部分，系统结构如图5所示。下文将对这三部分进行详细介绍。图5系统结构图3.进气系统（Intake）3.1.结构设计进气系统的主要功能是收集并输送大气粒子到电推进系统。由于近地轨道和极近地轨道大气的电离度过低，无法使用电磁装置来收集气体，因此必须采用机械装置。进气系统的一个重要参数是收集效率：𝜂𝑐=𝑁𝑡ℎ𝑟𝑁𝑖𝑛其中，𝑁𝑡ℎ𝑟表示最终通过进气系统的气体分子数，𝑁𝑖𝑛表示进入进气系统的气体分子总数。JAXA设计的进气系统收集效率高达40%，BUSEK公司设计的进气系统收集效率则为20%。𝑁𝑖𝑛可以用下式计算：𝑁𝑖𝑛=𝑛𝑖𝑛𝑣𝑖𝑛𝐴𝑖𝑛气体质量计算公式为：m=𝑚𝑝𝑁其中，𝑚𝑝表示气体的平均分子质量。则推力F为：F=𝑚𝑝𝑁𝑡ℎ𝑟𝑣𝑜𝑢𝑡=𝑚𝑝𝜂𝑐𝑁𝑖𝑛𝑣𝑜𝑢𝑡=(𝑚𝑝𝑛𝑖𝑛𝑣𝑖𝑛𝑣𝑜𝑢𝑡)(𝜂𝑐𝐴𝑖𝑛)由此可见，最终的推力大小在设计上取决于进气速度、出口速度、收集效率、进气面积等因素。为了使推力最大化，不仅要使进气系统有足够的收集效率，还要使摄入气流的面积足够的大。但是，摄入面积的大小也会对S/C受到的阻力造成影响，因此要综合考虑这两个因素。3.1.1.方案一方案一采用一段圆柱通道和简单圆锥作为入口，其