论文总字数：27494字

摘 要

自从第一颗卫星成功发射以来，世界各国都开始大力发展卫星事业。特别是近年来，多枚微小型卫星成功发射，人们对于微小型卫星的研究越来越关注，这是因为微小型卫星不仅成本低廉、研制周期短，而且还能完成一些大型卫星无法完成的工作。而微小型卫星对于推进器的要求非常苛刻，既需要推进器提供微牛级别的推力，又要求推进器具有很高的比冲，这些要求是传统推进器无法达到的。目前来看，电喷雾微推进系统具备这些条件，是微小型卫星推进器的最佳选择之一。

本文总结了近几年国内外有关静电喷射的相关研究现状，并对电喷雾的形成机理进行了理论分析，还给出了推进器的比冲、推力、效率的理论计算方法。结合前人的设计经验，设计并利用3D打印技术制造了微型静电喷射推进器。

在设计中，利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件建立了电喷射的二维仿真模型，进行了喷管孔径对于起始电压影响的仿真模拟，还进行了喷管中心间距对于射流影响的仿真模拟，根据仿真结果得到了起始电压公式系数的一个可能值和合适的喷管中心间距。此外，还搭建了测力装置台对推进器的关键特性进行了测试。

关键词： 微小型卫星 推进器 电喷雾 仿真模拟

Abstract

Since the successful launch of the first satellite, all countries in the world have begun to develop the satellite cause. Especially in recent years, many micro-satellites have been launched successfully. People are paying more and more attention to research on microsatellites. Because microsatellites are not only cheap, have short development cycles, but also can complete tasks that large satellites cannot. . The microsatellite is very demanding for the thruster. It requires both micro-level thrust and the high specific impulse. These requirements cannot be achieved by traditional thrusters. At present, the electrospray micropropulsion system can achieve these conditions ,so it is one of the best choices for microsatellite thrusters.

This article summarizes the current research status concerning electrostatic spray at home and abroad in recent years, and analyzes the formation mechanism of electrospray in theory. It also gives the theoretical calculation methods for specific impulse, thrust and efficiency of thrusters. Combining with previous design experience, we designed and used 3D printing technology to create a miniature electrostatic jet thruster.

In this design, a two-dimensional simulation model of electrospray was established using COMSOL Multiphysics multiphysics simulation software. The simulation of the influence of the nozzle aperture on the initial voltage was performed, and the simulation of the impact of the nozzle center spacing on the jet was performed. According to the simulation results, a possible value of the starting voltage formula coefficient and the appropriate nozzle center spacing were obtained. In addition, a force measuring station was built to test the key features of the thruster.

Key Words : microsatellites thrusters electrospray simulation

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 4

1.3本章小结 6

第二章 电喷射理论分析 7

2.1 推进器工作原理 7

2.1.1 推力形成原理 7

2.1.2 泰勒锥的形成原理 7

2.2 主要参数指标的理论计算方法 8

2.2.1 推力及比冲的计算 8

2.2.2 推进器效率的计算 8

2.3 本章小结 9

第三章 电喷射的仿真模拟 10

3.1 关于起始电压的分析 10

3.2 仿真模型的选择 11

3.2.1 软件介绍及静电场模型选择 11

3.2.2 两相流模型的选择 12

3.3 电喷射模型的建立及起始电压公式系数的确定 13

3.3.1 仿真模型的建立 13

3.3.2 公式系数的确定 17

3.4 关于喷管中心间距的仿真设计 18

3.5 本章小结 19

第四章 推进器的结构设计 20

4.1 总体设计思路 20

4.1.1 设计方案 20

4.1.2 材料选择 20

4.2 发射极与抽取极设计 21

4.2.1 发射极设计 21

4.2.2 抽取极设计 22

4.3 本章小结 24

第五章 推进器的制造及测试 25

5.1 推进器的制造 25

5.1.1 发射极增材制造 25

5.2 推力的测试实验 27

5.2.1 测量方案及步骤 27

5.2.2 数据处理及分析 29

5.3 本章小结 30

第六章 总结 31

致 谢 32

参考文献 33

绪论

课题研究的背景及意义

1957年10月4日，前苏联成功发射了人类历史上第一颗人造地球卫星，这引发了世界各国研制和发射卫星的热潮。几十年后的1970年，我国的第一颗人造地球卫星“东方红一号”也成功发射了，这是我国航天事业的一个里程碑。世界各国之所以大力发展卫星事业主要是因为卫星的用途广泛，不仅可以为人们的日常生活提供帮助，还具有科研、军事等多方面的用途；此外，人类对于利用卫星深空探测的向往也是推动卫星有关技术发展的主要原因之一。

微小型卫星由于具有研制周期短、成本低廉、适应性强等优点，逐渐受到人们的关注，并且与之相关的技术开始迅猛发展，国内外已经广泛开展了有关于微小型卫星及皮卫星的研究制造。特别是最近几十年，人们对于微小型卫星的兴趣呈现了爆炸式的增长，在2003年发射的89枚轨道卫星中只有16枚属于微小型卫星；而到了2013年，在发射的205枚卫星中，有90枚属于微小型卫星。不仅如此，这些微小型卫星也逐渐向着轻量化、小型化发展，在2003年，这样一颗微小型卫星平均要42千克，而到了2013年，这一平均值下降为5千克。

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