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40kW磁等离子体发动机

西安航天动力研究所;陕西省等离子体物理与应用技术重点实验室

磁等离子体发动机作为一种电磁推进,通过螺旋波等离子体源(Helicon)电离产生高密度等离子体(最高可达1019m-3量级),实现工质接近100%电离;并通过离子回旋共振加热单元(ICRH,Ion Cyclotron Resonant Heating)将射频能量主要耦合给离子,形成高能离子束流;采用磁场约束等离子体并与发动机内壁面隔开,通过磁喷管,在洛伦兹力、气动力和静电场力的共同作用下,形成高速等离子体射流并产生推力。

美国从二十世纪七十年代开始可变比冲磁等离子体发动机(VASIMR,Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket)技术研究。在美国JSC/NASA 的先进空间推进实验室牵头和倡导下,开展了基于VASIMR的大型空间电推进技术的研究,使用的推进剂可以为氩气、氪气、氙气、氢气、氘、氦气等气体,其目的是为近地轨道提供高功率(10kW)的电推力器,为深空探测核电推进(50kW)提供高能电推进系统。美国先后研制了VX-10至VX-200发动机,目前美国AdAstra公司研制的VX-200发动机推力达到6N、比冲5000s、效率76%。VF-200发动机还计划在国际空间站(ISS)上进行空间搭载验证试验。

磁等离子体发动机由工质贮供单元、电源处理单元、螺旋波等离子体源,离子回旋共振加热单元、磁透镜单元、低温制冷与热管理装置和控制监测单元等组成。工质贮供单元负责系统的推进剂管理和供应;电源处理单元负责发动机的能量供给,主要将来自太阳能电池或核电源的初级电能转化为推进系统各用电模块所需的电能形式;螺旋波源主要是将推进剂电离产生高密度等离子体;离子回旋共振单元负责将等离子体中较低能量的离子加热为具有高能离子;磁透镜单元负责等离子体产生系统的粒子约束,以及形成特殊位形的磁场分布,将高能离子的径向动能转化为轴向动能;低温制冷与热管理装置为磁透镜和发动机其它部件提供散热等,并将发动机产生的热能有效利用;控制监测单元保证系统的可靠启动、稳态工作、状态调节和性能监测.


通过对40kW磁等离子体发动机性能仿真计算,发动机推力可达1.2N,比冲高达3750s,效率达到55%,通过ICRH单元与螺旋波源功率比以及推进剂流量调节,可实现发动机的推力、比冲调节。进行了40kW磁等离子体发动机系统组装及调试,实现了磁等离子体发动机第一级在30W即可启动,在300W以内即可实现容性放电到感性放电的模式转换。本实验为未来磁等离子体发动机的提供了研制基础。

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