本书侧重介绍电火箭推进原理。在电火箭推进中，推力的产生是依靠电加热、电场电离、电磁力加速等装置和技术实现的，与化学推进中的推力产生方式完全不同，也与电磁学、等离子体物理领域中探索基本现象与基础理论的装置和技术不同。随着电火箭推进技术的逐渐成熟和应用任务范围的拓展，电火箭推进已日渐成为航天器推进技术研究的重要分支。关于电火箭推进的原理、发展状态和应用方面的知识，也成为更好地开展太空任务分析与设计的重要基础。
全书共13章，主要内容包括概论、太空小推力加速任务分析、小推力轨道转移与位置保持、单组元肼推力器、气体放电导论、电弧推力器简化分析、离子推力器原理与一般特性、电子轰击式放电室零维模型、霍尔推力器原理与一般特性、霍尔推力器本体通道稳态一维模型、磁等离子体推力器原理与一般特性、磁等离子体推力器加速通道简化模型和空心阴极。
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目录
- 目录
第1章 概论 1
1.1 航天推进任务需求 1
1.2 太空推力器的典型性能与应用 1
1.2.1 化学推力器 1
1.2.2 电推力器 2
1.3 火箭推进原理回顾 4
习题 8
参考文献 8
第2章 太空小推力加速任务分析 9
2.1 固定时间的恒定电功率与推力任务 9
2.2 最优推力曲线 12
2.3 用变分法推导最优喷气速度 14
2.4 最优任务时间 18
习题 21
第3章 小推力轨道转移与位置保持 22
3.1 小推力逃逸的近似速度增量 22
3.2 次最优轨道提升与轨道面改变 24
3.3 卫星调相 28
3.4 地球静止轨道卫星的南北漂移控制 31
习题 36
参考文献 36
第4章 单组元肼推力器 37
4.1 单组元推进系统概述 37
4.1.1 典型单组元推进剂 37
4.1.2 单组元肼推力器构型与质量模型 37
4.1.3 单组元推进剂供应装置 38
4.1.4 单组元推进系统构型 39
4.2 肼分解推力器 39
4.2.1 肼的基本属性 39
4.2.2 肼的分解平衡 41
4.2.3 肼分解推力器性能 43
4.3 电热增强型肼推力器性能与应用 45
4.3.1 应用任务特征 45
4.3.2 工质过热状态的推力器性能计算 46
4.3.3 电热增强型肼推力器应用 48
习题 48
参考文献 49
第5章 气体放电导论 50
5.1 等离子体的概念 50
5.1.1 等离子体的定义 50
5.1.2 温度与动能 50
5.1.3 粒子在有势场中的空间分布 51
5.1.4 粒子的速度分布 52
5.1.5 等离子体鞘层 52
5.1.6 德拜屏蔽 53
5.1.7 等离子体参数 54
5.1.8 等离子体频率判据 54
5.2 热电离气体的电导率 55
5.2.1 气体热电离的平衡态 55
5.2.2 等离子体中的电子电流 56
5.2.3 电子的平均热运动速度 57
5.2.4 带电粒子碰撞截面的确定 57
5.2.5 电离度对电导率的影响 58
5.3 欧姆耗散引起的气体电弧不稳定性 60
5.4 气体成分及热物性参数随温度的变化 60
习题 62
参考文献 63
第6章 电弧推力器简化分析 64
6.1 基本假设 64
6.2 不流动气体中的狭长电弧 64
6.3 平行气流中的狭长电弧 67
6.4 电压与功率计算 71
6.5 推力计算 73
习题 75
参考文献 75
第7章 离子推力器原理与一般特性 76
7.1 引言 76
7.2 工作原理 76
7.3 离子生成 77
7.3.1 电子轰击式电离室中的物理过程 77
7.3.2 损失的种类 79
7.3.3 电子扩散与约束 80
7.3.4 离子产生速率 82
7.4 离子提取和加速 84
7.4.1 离子提取 84
7.4.2 离子加速一维模型 86
7.4.3 减速栅极的影响 88
7.4.4 实际栅极提取能力 90
7.5 鞘层厚度与栅极孔尺寸估计 93
7.6 推进剂选择 94
习题 95
参考文献 96
第8章 电子轰击式放电室零维模型 97
8.1 引言 97
8.2 放电室内带电粒子流与功率平衡 98
8.3 离子与激发态原子的产率 101
8.4 电子的生存方程 102
8.5 离子在阳极壁上的约束 103
8.6 热化电子的数密度 104
8.7 束离子能量成本的计算 105
习题 106
参考文献 106
第9章 霍尔推力器原理与一般特性 107
9.1 引言 107
9.2 构型与工作原理 108
9.3 推力能力 111
9.4 推力器效率 113
习题 116
参考文献 116
第10章 霍尔推力器本体通道稳态一维模型 117
10.1 控制方程 117
10.1.1 粒子数守恒方程 117
10.1.2 离子动量方程 118
10.1.3 电子动量方程 118
10.1.4 电子能量方程 119
10.2 方程求解 119
10.2.1 导数求解 119
10.2.2 边界条件 121
10.3 放电剖析 121
10.3.1 阳极前鞘层与扩散区 122
10.3.2 向电离层的过渡 124
习题 127
参考文献 127
第11章 磁等离子体推力器原理与一般特性 128
11.1 引言 128
11.2 正交电磁场中等离子体加速行为 129
11.2.1 等离子体受力 129
11.2.2 广义欧姆定律与霍尔参数 130
11.2.3 电磁功 131
11.2.4 磁场的产生 132
11.2.5 具有正交电磁场的等离子体加速器概念 133
11.3 自感应同轴构型推力器 134
11.3.1 推力器磁场构型 134
11.3.2 推力的近似计算 135
11.3.3 功率需求 138
习题 139
参考文献 140
第12章 磁等离子体推力器加速通道简化模型 141
12.1 加速通道的参数分布特征 141
12.2 耗散效应 143
12.3 稳定放电极限 144
12.4 效率 145
习题 146
参考文献 146
第13章 空心阴极 147
13.1 结构组成与一般特性 147
13.1.1 典型结构 147
13.1.2 一般工作特性 148
13.1.3 自加热特性 149
13.2 阴极构型类别 150
13.3 热电子发射理论与发射体特性 151
13.3.1 热电子发射理论 151
13.3.2 扩散阴极发射体特性 152
13.3.3 六硼化镧发射体特性 153
13.4 发射体区等离子体特性与模型 153
13.4.1 发射体区等离子体的功用 153
13.4.2 发射体区等离子体的双极扩散模型 154
13.4.3 发射体区等离子体的零维模型 157
13.4.4 发射体区等离子体的一维模型 159
13.5 孔口区等离子体特性与模型 160
13.5.1 孔口区等离子体的一般特性 160
13.5.2 孔口区等离子体的零维模型 161
13.5.3 孔口区等离子体的一维模型 162
13.6 羽流区等离子体一般特性 164
13.7 空心阴极寿命 164
13.7.1 扩散阴极发射体的蒸发与撞击损耗 164
13.7.2 整体型阴极发射体的寿命 165
13.7.3 发射体中毒 166
13.8 空心阴极放电行为与不稳定性 166
13.8.1 点火机制 166
13.8.2 放电模式与特性曲线 167
13.8.3 不稳定的类型与特征 168
习题 168
参考文献 169
附录 170
附录A 球面三角函数恒等式 170
附录B 玻姆速度的简化推导 171
附录C 电子的扩散 172
习题参考答案 176
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