高功率密度电弧火箭电源的研制

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随着空间探测技术的兴起,发展比冲高、结构紧凑、消耗工质少、成本低廉的推进系统己成为迫切需要。电推进技术以其独特的优势在空间飞行领域中正在逐步代替传统的化学推进并成为了一种新的研究、发展方向。目前,多数航天器的正常工作所需要的电能都来源于太阳能电池。怎样实现适合电弧加热式发动机应用的高性能、高稳定、轻质量、小体积和长寿命的电源系统成为了一个意义重大的研究课题。本课题的前期工作中,对电弧火箭推进系统等离子电弧的电特性进行了深入分析,研究了维持电弧加热推进系统等离子体电弧稳定放电对电源调理单元的要求,基于逆变电源脉宽调制技术与峰值电流型控制原理,采用推挽主电路拓扑结构研制了一台一千瓦级电弧火箭电源调理单元。但是,目前该电源调理单元还存在很多问题有待解决,如高频启动电路无法使肼作为推进剂的电弧火箭发动机成功引弧、电源的效率偏低以及体积偏大(超重)等。   本文运用倍压整流电路自身的特点,研制了一种高压脉冲启动电路。将其与传统高频引弧电路进行比较后发现,高压脉冲启动电路的有效击穿电压持续时间超过高频启动电路两倍多,并且系统振荡较小。通过大量真空模拟试验表明,该高压脉冲启动电路能够可靠引燃以肼作为推进剂的电弧火箭发动机。   对电源调理单元各主要器件的损耗进行了详细的分析和计算,在此基础上对主要损耗器件重新进行了设计与修改,优化了电路结构,使电源效率提高到86.78%。在充分考虑系统散热以及电磁兼容问题的前提下,选用了平板器件等小体积的元器件,将电源小型化。电源的体积缩小到27cm*24cm*10cm,功率密度为154mW/cm3,较优化前提高了2.75倍。   对所研制的电源进行了测试,结果表明,该电源除了启动电流过冲为34.35%,超过要求的20%之外,其余的各项技术指标均能满足要求。对电源进行了静电放电试验、电快速瞬变脉冲群试验以及辐射连续骚扰试验等电磁兼容试验,试验结果显示,PCU满足相关标准的要求。
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