空间电化学复合推进技术

　　本书基于新型空间机动任务对大推力和高比冲推力器的应用需求，主要介绍了融合氢氧爆震燃烧与等离子体电磁加速机理发展而成的一种空间电化学复合推进技术。该技术将燃烧反应释放的化学能与电源提供的电能同时高效地利用，从而实现较大的推力和适中的比冲。本书首先介绍了空间推进系统的发展现状及新型空间任务对其提出的技术要求，然后介绍了磁等离子体推进和脉冲爆震发动机技术，接着对电化学复合推力器关键部件复合加速腔、电源及工质供给模块的方案设计及地面实验验证样机研制与性能评估情况进行了详细介绍，后探索了相关数值模拟技术以及电化学复合推进的空间应用前景。本书可供从事空间电推进、轨道动力学、空间飞行器平台设计、深空探测任务规划等方面研究的科技人员和高等院校相关专业师生参考。

　　无

第1章 绪论    001
1.1 化学推进    002
1.2 电推进    004
1.2.1 中小功率电推进应用现状    004
1.2.2 大功率电推进研究现状    008
1.3 电化学混合式推进    019
1.4 电化学复合推进    021
1.4.1 气体燃烧动力学基础    021
1.4.2 等离子体助燃技术    024
1.4.3 等离子体在电磁场中的运动    028
1.4.4 电化学复合推进技术内涵    029
参考文献    030
第2章 航天器轨道转移    033
2.1 航天器轨道转移基础    033
2.1.1 空间坐标系    033
2.1.2 二体问题与轨道要素    035
2.1.3 航天器运行轨道    038
2.1.4 轨道转移动力学问题    039
2.2 一般情形航天器轨道转移过程    042
2.2.1 轨道转移控制策略    042
2.2.2 几种常见的轨道转移过程    043
2.3 应用电推进的轨道转移过程    047
2.3.1 基于电推进的轨道转移特点    048
2.3.2 电推进轨道转移策略概述    049
2.4 未来航天器空间轨道转移需求    051
2.4.1 未来机动平台能力发展方向    051
2.4.2 新型空间任务对推进系统的要求    052
参考文献    058
第3章 磁等离子体推进技术    059
3.1 磁等离子体推力器技术内涵    059
3.1.1 工作机理介绍    059
3.1.2 性能作用因素分析    062
3.1.3 涉及的关键技术    065
3.2 磁等离子体推力器研究现状    073
3.2.1 国外研究现状    073
3.2.2 国内研究现状    078
3.3 空间应用前景分析    079
3.3.1 空间应用能源供给问题    079
3.3.2 “Onset”问题    080
3.3.3 阴极烧蚀问题    082
3.3.4 发展建议    082
参考文献    083
第4章 脉冲爆震发动机技术    087
4.1 爆震的物理基础    088
4.1.1 几种典型的燃烧现象    088
4.1.2 Chapman-Jouguet 理论    088
4.1.3 爆震热力学效率分析    091
4.1.4 爆震波结构    092
4.2 脉冲爆震发动机技术内涵    095
4.2.1 脉冲爆震发动机循环过程    096
4.2.2 现代高频PDRE 技术    097
4.3 脉冲爆震发动机的性能分析    103
4.3.1 “Wintenberger”模型    103
4.3.2 等容循环模型    105
4.4 脉冲爆震发动机研究现状    110
4.4.1 国外研究现状    110
4.4.2 国内研究现状    113
4.5 空间应用前景分析    115
参考文献    116
第5章 空间电化学复合推进系统方案    120
5.1 系统组成    120
5.2 空间电能供给    121
5.2.1 初级功率源选择    122
5.2.2 太阳电池- 蓄电池组合供电系统    132
5.2.3 电源处理单元    139
5.2.4 电化学复合推进电源设计要求    146
5.3 工质储存与供给    146
5.3.1 化学推进剂储存与供给技术    146
5.3.2 电推进工质储存与供给技术    148
5.3.3 低温推进剂长期在轨储存技术    149
5.3.4 基于水电解技术的在轨工质供给方案    152
参考文献    154
第6章 复合加速腔设计    158
6.1 总体设计    158
6.1.1 设计要求    158
6.1.2 总体结构方案    159
6.2 阳极外筒    160
6.2.1 理论计算    160
6.2.2 结构设计    163
6.3 尾喷管    164
6.3.1 喷管选型    164
6.3.2 结构设计    165
6.4 阴极杆    167
6.4.1 理论计算    167
6.4.2 结构设计    167
6.5 其他组件    168
6.5.1 腔体冷却组件    168
6.5.2 系统装配    171
参考文献    172
第7章 电源系统设计    173
7.1 阻抗特征分析    173
7.2 理论设计与工程研制    176
7.2.1 电路拓扑及原理介绍    176
7.2.2 关键部组件设计    177
7.2.3 可靠性及结构设计    188
7.3 空间应用优化设计考虑    190
7.3.1 空间环境因素影响简析    191
7.3.2 空间适应性优化设计    200
参考文献    203
第8章 工质供给系统设计    205
8.1 供给量需求分析    205
8.2 供给方式选择    207
8.2.1 供给速度控制    207
8.2.2 氢/ 氧混合方式    208
8.3 系统方案设计    210
8.3.1 氢氧混合特性仿真计算    210
8.3.2 腔内混合器设计    218
8.3.3 气路布局及元件选型    219
8.3.4 控制模块设计    222
参考文献    226
第9章 实验研究    227
9.1 实验系统及测试方法    227
9.2 性能测试及结果分析    230
9.2.1 点火延时影响    230
9.2.2 背景压强影响    233
9.2.3 混合物配比及浓度影响    235
9.2.4 结构参数影响    237
9.2.5 电源参数影响    238
9.2.6 外加磁场影响    240
9.2.7 腔内压强分布诊断    241
9.3 实验研究总结    242
第10章 数值模拟研究    244
10.1 爆震燃烧数值模拟方案    244
10.1.1 爆震燃烧模拟控制方程    244
10.1.2 爆震燃烧模拟数值方法    247
10.2 粒子模拟方案    249
10.2.1 低温等离子体数值仿真模型简介    249
10.2.2 粒子模拟方法介绍    251
10.3 电化学复合推进模拟方案    263
10.3.1 弱耦合模拟方法    263
10.3.2 仿真模型设计    263
10.3.3 考虑的碰撞类型及截面数据    264
10.4 复合推进氢氧放电特性模拟    272
10.5 复合推进氢氧爆震燃烧模拟    275
10.6 复合推进弱耦合模拟    281
10.6.1 流场特征    281
10.6.2 推力与放电电流的关系    286
10.6.3 效率与输入功率的关系    288
10.6.4 弱耦合处理前后结果对比    289
10.7 数值模拟研究总结    290
参考文献    291
第11章 空间应用简析    292
11.1 应用前景分析    292
11.1.1 载人深空探测    292
11.1.2 战略载荷快速投送    297
11.1.3 电化学复合推进适用性分析    297
11.2 相关配套技术    298
11.2.1 空间大功率核电源技术    298
11.2.2 轨道设计技术    302
参考文献    302