临近空间电流体推进技术仿真与实验研究

发布时间：2020-04-11 13:15

【摘要】：临近空间飞行器是开发和利用临近空间资源的主要工具,由于临近空间环境的特殊性和复杂性,对飞行器推进系统提出了很高的要求,这制约了临近空间飞行器的发展。根据我国军事发展的急迫性和优先度要求并考虑到临近空间的气压条件,本文提出并研究了在临近空间应用电流体推进技术的可行性,通过理论分析和实验测试对其基本性能进行了研究。本文首先从大气密度、温度、大气压力、风场以及大气的成分和分布等几个方面分析了临近空间环境的基本特征。基于临近空间环境及电晕放电离子风理论,本文通过有限元仿真软件构建了离子风电推进器仿真模型,研究了气压、风速、电极尺寸与装置构型对推进器性能的影响。结果表明在增大驱动电压、增大电极间距、降低气压以及减小放电极半径均会使推进器推力增加;在风速影响下,离子扩散区会被压缩,会导致推力下降,当风速达到300m/s时,推力值为风速为0m/s时的10%-15%;施加前置偏压可以减少向前扩散的离子,进而提高推力与功率比值,而且前向偏压越接近阳极,对电流的抑制效果越明显,此时推力也明显下降。其次本文利用真空实验罐系统进行了离子风电推进技术低气压实验研究,进行了仿真与实验对比研究,结果发现仿真模型计算结果与相同条件下实验测试结果拟合度很好,验证了仿真计算模型的准确性。此外,本文进行了低气压条件下的变参数对比实验,通过放电参数测量,获得功耗数据,讨论了相关设计参数对实验样机产生的电流和功耗的影响,初步分析了电路模型对实验样机产生电流和功耗的影响机理。最后针对电流体推进技术,本文提出了电动力贴片和和离子风电推进装置的设计,结合水平风场模型,研究了电流体推进技术在平流层飞艇上的应用途径及应用效果。结果表明,与电动力贴片相比,离子风电推进装置具有较高的推功比,可达80mN/kW;在水平风场模型下,采用离子风推进飞艇即使在朝向原点的控制方法下,其移动范围在10km以内,远小于无动力飞艇,能满足通信需求,表明了离子风电推进技术即电流体推进技术在临近空间具有重要的应用潜力。
【图文】：

第一章 绪论1.1 研究背景及意义临近空间是指介于传统航空航天之间（一般距地面 20-100km）的稀薄大气层，它的高度围决定了它在国民经济建设和国防建设中具有广泛而巨大的应用价值，因此它已经成为各国注和竞相发展的热点[1-3]。临近空间飞行器指飞行高度在 20-100km 范围内，并利用临近空间有的空间资源执行一定任务的一类飞行器。与卫星等航天器相比，临近空间飞行器的载荷能强、效费比高、部署速度快等，而与传统航空飞行器相比，临近空间飞行器生存能力更强、盖范围更广、持续工作时间也更长等特点。如临近空间低速飞行器中的平流层飞艇能够实现定区域的长期、全天、高分辨率的地球观测和高速移动通信，为空间预警、环境监测和高速信应用提供全新的技术手段[4-6]。而临近空间高超声速飞行器可携带有效载荷随时应急升空，现快速机动部署，使紧急情况下实现“全球到达，全球作战”成为可能[7,8]。随着有关技术的发和日趋完善，临近空间飞行器必将在人类社会发展过程中发挥不可替代的作用。

南京航空航天大学硕士学位论文发生装置结构的改进研究也取得了很大进展，部分学者完成[21]提出了在针形发射极周围增加环状发射极，设计制作了一个产生的风速是采用传统针形发射极的2.5 倍，，随后Moon又利相同功率下产生的风速是传统电极的4.53倍[22]，然而Moon没察的性能指标，而是通过速度与输入电功率的比值定义了一ieldofflowgeneration）”，因此在多数情况下无法与他人研究结改进方面，2002年Rashkovan[23]利用线电极与两个板集电极（生装置，通过对发热平板进行散热实验，获得的传热系数是4]采用渐缩管形式的筒状集电极来提高风速，并将其应用到微电l Singhal[25]采用波浪形的集电极板形成多组离子风发生装置紧散热风扇-RSD5离子风风扇，如图1.2所示，它的最大风速可以更大。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V439;V23

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本文编号：2623637