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1、飞机设计导论项目报告 飞机设计导论小组项目报告分布式电推进技术 院（系）名称：自动化科学与电气工程学院 专业名称： 电气专业 组 号： 第4组2016年11月摘要：电推力器，又称离子发动机，为空间电推进技术中的一种。其原理是先将气态工质电离，并在强电场作用下将离子加速喷出，通过反作用力推动卫星进行姿态调整或者轨道转移任务。离子推力器具有比冲高、效率高、推力小的特点。与传统的化学推进方式相比，离子推力器需要的工质质量小，是已经实用化的推进技术中最为适合长距离航行的。Summary:Electric thruster, also known as ion engine, a space elect

2、ric propulsion technology in. The principle is that the gas is first ionized, and the ions are accelerated by the strong electric field, and the satellite is driven by the reaction force to carry out the attitude adjustment or orbit transfer task. The ion thruster has the characteristics of high spe

3、cific impulse, high efficiency, small thrust. Compared with traditional chemical propulsion, ion thruster need mass is small, practical propulsion technology is the most suitable for long distance navigation.描述针对具体项目所做的主要工作和人员分工（人员的联系方式），必须详细至每一个人！（针对组内每位成员评级，组长按A、B、C、D四档单独发邮件至我邮箱sunkw100） 李思琦 组长 庄泽

4、焕 组长秘书 费小远 于尚同 报告撰写 王斌斌 幻灯片制作 史文博 资料查找目录1 任务陈述 52 市场与用户需求 53 相关竞争实施方案 64 系统设计要求 75 拟采用的新技术/先进概念（或与本专业相关的） 76 飞行器的三视图和大概尺寸 91 任务陈述随着人类利用和探索宇宙空间的范围和深度大大拓展，各国竞相出台新太空政策，人类又掀起了新一轮以深空探测为标志的太空探索热潮，而传统的化学推进已经无法满足未来空间探索特别是深空探测的需要。它最主要的不足是能量密度低，目前单纯依靠化学推进来提高喷气速度加速航天器的方法，已经接近了极限。由于能量密度低，利用化学推进需要携带大量的燃料。目前液体和固体

5、火箭发动机所携带的燃料，要占到总重量的90%以上，而有效载荷只占1%1.5%，将1千克的载荷送入轨道的费用达上万美元。同时，现在的运载工具需要有23级火箭持续加速才能将航天器送入轨道，这样就导致了化学推进效费比低、系统可靠性降低等。化学推进需要消耗大量燃料，且不能将航天器加速到足够的速度，这是无法满足深空探测要求的。新型推进技术是相对传统的化学推进技术而言的，是指航天推进基本原理或能源方式不同于化学推进的非化学推进。目前，世界各国正在竞相研究各种新型推进技术，以满足未来太空探索的需要，而电推进就是目前各国开发的重点之一。 离子推进器将电能和氙气转化为带正电荷的高速离子流，金属高压输电网对离子流

6、施加静电引力，离子流获得加速度，加速后的离子使推进器获得时速高达143201千米的速度，推动航天器前进。离子发动机的燃烧效率比常规化学发动机的高大约10倍。我小组就利用分布式电推进技术，设计出一款能高效飞行的飞行器，以适应现代交通发展的要求。2 市场与用户需求随着全球航空业的飞速发展，越来越多的航空运营商和制造商将目光聚焦于环保、可持续性及航空节能，而动力系统革新尤为受关注。在众多创新概念中，分布式混合电推进系统技术展现出了较为明显的发展潜力。电磁推进是人造地球卫星和行星际飞行器中的一种比较理想的推进方法。利用导电气体中电流和磁场间的相互作用力使气体高速喷射而产生推力的一种推进方法。使用的工作

7、介质是电离的高温气体等离子体，故又称等离子体推进。由于用电磁加速原理可以得到比用化学燃料高12个数量级的排气速度，所以电磁推进系统的比冲（单位质量推进剂产生的冲量）比化学燃料推进系统高得多。与传统的动力推进相比，分布式混合电推进系统大幅提高等效涵道比、改善了原有飞机气动结构、降低油耗及减少噪声。这不仅是商用飞机的福音，低阻力的气动外形、高能效的推进系统对于军用小型无人飞行器或大型运输机来说更具应用价值，因此吸引了美欧航空研发机构的重视。新推进方式的变革体现了飞机设计从单一动力研究到飞机总体、动力、机电等技术集成研究的变化，很有可能为航空科技发展提供了新的方向，成为航空工业的革命性转折。传统的航

8、天推进技术是利用化学能将运载器送入预定空间轨道和实现航天器在轨机动的技术，主要是指液体和固体化学推进。从1926年美国人戈达德(Goddard R. H.）研制成以液氧/汽油为推进剂的液体火箭发动机至今，化学推进已经有近80年的发展历史，目前其理论体系和应用技术基本成熟，发射基地和地面测控系统等配套设施健全。化学推进最突出的特点是可以提供大推力，一直以来是航天领域使用最多的推进技术，而且在可预见的将来仍是重要的航天推进技术。3 相关竞争实施方案分布式动力推进单个推进器能升到空中，但由于扭力作用很难飞行，连在一起后，使其中一半螺旋桨的旋转方向与另一半相反，就变成了一种复杂的多驱动协同飞行系统。每

9、个推进器都有一个传感器和一个数据处理器，传感器负责监控倾斜和滚动，处理器将这些数据转化为螺旋桨的转速，以确定需要多少推力才能让整个阵列起飞并维持水平飞行。通过这种分布式网络操作，整个过程需要的人工操作很少，只需用操纵杆控制不要让它飞丢了就行。小型化轻便化高效能源变换技术将朝着小型、轻便太阳电池方向发展。在传输技术方面，未来将开发微波或激光能源传输技术，包括从月球探测器，从月球上的能源站到月球探测器等的能源传输。电推力器，又称离子发动机，为空间电推进技术中的一种。其原理是先将气态工质电离，并在强电场作用下将离子加速喷出，通过反作用力推动卫星进行姿态调整或者轨道转移任务。离子推力器具有比冲高、效率

10、高、推力小的特点。与传统的化学推进方式相比，离子推力器需要的工质质量小，是已经实用化的推进技术中最为适合长距离航行的。由于传统控制技术越来越难以满足航天器月球探测任务多样性和姿态控制、轨道控制的高性能指标要求，先进航天国家早在20世纪80年代就着手发展航天器智能自主技术，并在自己的空间探测计划中逐渐增大了对智能自主技术的投入力度。在轨智能自主技术把智能自主技术放在首位，旨在研制自主航天器，使深的依赖。先进航天国家在“战略规划研究开发型号应用”各个层次都非常重视探测器智能自主技术。他们往往按照“走一步、看一步、想一步”的三步曲进行发展，即利用先进成熟技术做当前之事，与此同时大力开发试验下一步先进

11、技术，同时还要想到更远的需求以便提早作技术发展的战略规划。电能高效利用 电源处理系统调节来自太阳能电池板或者其它电源的电流，并按照要求输送到推力器和航天器上其它用电系统。由于电源处理系统在电推进系统中担当着重要的角色，其体积和质量通常比较大，也是电推进系统中比较复杂的分系统。 电热型推进系统利用电能加热推进剂，是最早在实验室中进行研究的电推进类型，也经常通过传统的化学火箭发动机改装而来。被加热的推进剂经拉瓦尔喷管加速喷出发动机，产生推力。电热型推进器是几种电推进中比冲较小的，和传统化学火箭发动机比冲相当，但其优点是结构简单、价格便宜、安全可靠、操作和维护方便等。 推进剂储存于供给系统与传统的冷

12、气推进系统及单组元推进系统相近，包括推进剂储箱、电磁阀、过滤器、和管路系统等。电推进系统的推进剂流量通常情况下较小而连续供给的时间很长，这给电磁阀的流量控制和防泄漏带来了困难，也增加了地面试验时流量测量的难度。 电推进器将电源处理系统输送过来的电能通过一定的方式转化为推进剂的动能，能量转化率以及性能是衡量某个推力器优劣的重要指标。电磁技术的首次使用静电型推进系统将推进剂气体原子电离为等离子体状态，再利用静电场将等离子体中的离子引出并加速，高速喷出的离子束流对推力器的作用力即为推进系统的推力，此外，有的静电型电推进系统利用静电场加速带电液滴或液态金属离子产生推力。静电型推进器特点是比冲高、结构紧

13、凑、质量轻以及技术成熟等。电磁型推进系统利用电场和磁场交互作用来电离和加速推进剂，产生推力。在电磁型推进系统中，推进剂离子的加速不是通过单独的电场来完成的，因此，喷出的离子束不受空间电荷的限制，即在等离子体中，通过磁作用比通过静电作用能获得更大的能量密度。电磁型推力器的特点是比冲高、技术成熟、寿命长等。电推进中推进剂喷出推力器时的动能是由电源的能量也就是功率决定的，因此理论上来说，只要电源系统的功率足够大，电推进系统的比冲可以远大于传统的化学推进发动机。其他创新（1）电推进新技术不断扩展，包括离子和霍尔变异类型及混合类型、非传统类电推进新类型、不同推进剂类型等。（2）磁屏效应为霍尔推力器的长寿

14、命问题解决带来希望。（3）环型离子推力器和多级离子推力器成为离子推力器实现高功率的主要技术途径，多通道霍尔推力器成为霍尔推力器实现高功率的主要技术途径。（4）非传统类型正在成为未来大功率电推进的主要候选者。它具有比冲可调节、无电极设计、多种推进剂选择、中性等离子输出、相对高效率、辐射屏蔽等优点，同时具有系统复杂尺寸大和磁场强电磁干扰大的明显缺点。（5）气体中的电流与其自身磁场之间的相互作用力使等离子体高速排出而产生推力。用外加磁场可使推力增加一倍。4 系统设计要求 设计成果能满足以下三个方面：低地球轨道、同步地球轨道以及星级任务。电推进系统在低地球轨道主要用于阻力补偿、轨道转移、姿态控制、轨道

15、控制及航天器寿命末期重定位等。 我小组设计的电推进系统可作为主推进主要用于深空探测任务，其中包括：探索太阳系其它行星及其卫星等、多目标任务如同时与多个星体进行交会等、大倾角任务如与某些彗星交会等以及取样返回任务等，其优点是增加有效载荷、减少飞行时间以及减少发射成本等。未来的深空探测任务中，电推进系统必将发挥更大的作用。5 拟采用的新技术/先进概念（或与本专业相关的） 分布式混合电推进系统，是指通过传统燃气涡轮发动机为分布在机翼或机身的多个电机/风扇提供电力，并由电机驱动风扇提供绝大多数或全部推力（燃气涡轮发动机可部分提供或不提供推力）的一种新型推进系统概念，其最大的优势是能够极大地降低推进系统

16、的燃油消耗量和各种排放。美、欧政府均将分布式混合电推进系统视为有潜力在2030年后投入使用的、极有前景的民机动力解决方案，并正在组织飞机系统集成商和动力厂商积极开展探索和预研。 新型推进技术是相对传统的化学推进技术而言的，是指航天推进基本原理或能源方式不同于化学推进的非化学推进。目前，世界各国正在竞相研究各种新型推进技术，以满足未来太空探索的需要，而电推进就是目前各国开发的重点之一。 50年代后期以来，曾探索过多种电磁推进方法。早期制成的简单电弧加热射流和磁流体动力加速器等，有比冲较低、重量大和电极损耗较严重等缺点。70年代采用的有磁等离子体动力电弧射流推进器（简称 MPD推进器）和脉冲等离子

17、体推进器（简称PPT推进器）两类。 MPD推进器 由简单电弧加热射流发展出来的。如图1所示,工作介质通过电弧时形成等离子体。在低气压下，电流遍及整个电极表面并在射流中形成一定分布。电流和磁场的相互作用使气体在轴向加速，产生很高的比冲。产生推力的机理是：电流和其自身磁场间的相互作用；电流和外加磁场间的相互作用；高温气体在喷管中的膨胀。在高性能MPD推进器中，第一项起主要作用,磁场力推动等离子体，使后者高速喷射而产生推力。由于推力和电流平方成正比，而热损耗和电流成正比，故应使电流和功率尽可能大，以提高推进器的效率，并用断续工作的方式达到所要求的推进器平均功率。此外，霍耳效应（见磁流体发电）也是产生

18、推力的机理之一。磁场对电弧的磁约束作用使电弧离开喷管壁面，并使气体离开阴极表面。这可减少喷管受热并使阴极避免遭受大量离子的轰击，从而减少阴极材料的损耗，延长喷管和电极的寿命。 其实电推进的理论研究始于20世纪初。1906年戈达德就提出了用电能加速带电粒子产生推力的想法，之后和他的学生进行了初步的试验。1911年，俄国科学家齐奥尔科夫斯基也设想用电能获得高速运动的粒子作为火箭的动力。从1940年代中期到1950年代中期，美国和苏联科学家各自提出了多种类型的电推进器方案和理论，不但初步从理论上完善了电推进理论，还论证了电推进的可行性。由于当时受到航天器上电源的限制以及冷战期间苏美两国将更多的注意力

19、放在了传统化学火箭发动机上，电推进并没有进入工程研制阶段，直到1955年后，美苏开始竟相研制电推进技术，使得电推进技术开始登上航天大舞台。根据电推进系统中将电能转化为推进剂动能方式的不同，大致可将电推力器分为3类：电热型、静电型和电磁型。电热型推进系统利用电能加热推进剂，是最早在实验室中进行研究的电推进类型，也经常通过传统的化学火箭发动机改装而来。被加热的推进剂经拉瓦尔喷管加速喷出发动机，产生推力。电热型推进器是几种电推进中比冲较小的，和传统化学火箭发动机比冲相当，但其优点是结构简单、价格便宜、安全可靠、操作和维护方便等。典型的电热型推进系统有电阻加热喷气推进器和电弧加热喷气推进器。静电型推进

20、系统将推进剂气体原子电离为等离子体状态，再利用静电场将等离子体中的离子引出并加速，高速喷出的离子束流对推力器的作用力即为推进系统的推力，此外，有的静电型电推进系统利用静电场加速带电液滴或液态金属离子产生推力。静电型推进器特点是比冲高、结构紧凑、质量轻以及技术成熟等。典型的静电型推进系统有霍尔效应推进器。霍尔效应推进器还被称为稳态等离子体推力器，和离子推进器。电磁型推进系统利用电场和磁场交互作用来电离和加速推进剂，产生推力。在电磁型推进系统中，推进剂离子的加速不是通过单独的电场来完成的，因此，喷出的离子束不受空间电荷的限制，即在等离子体中，通过磁作用比通过静电作用能获得更大的能量密度。电磁型推力

21、器的特点是比冲高、技术成熟、寿命长等。典型的电磁型推进系统有脉冲等离子体推进器和磁等离子体推进器。国际上核推进技术的研发也已崭露头角。核推进火箭提供的最大速度增量可达到每秒22千米，可以大大缩短探测器到达月球的时间。运用核推进火箭，探测器到达土星的飞行时间只需要3年，而传统航天器则要花费7年的时间。核推进火箭非常安全而且有利于环保，这一点与人们平时的想象相反，因为发射核火箭时，放射性并不强。载有核助推器的空间探测器可作为普通化学火箭头部的有效载荷被发射出去，当有效载荷进入地球高轨道(即大约800千米以上)时，核反应堆开始工作。推进剂喷出推力器时的动能是由电源的能量也就是功率决定的，因此理论上来

22、说，只要电源系统的功率足够大，电推进系统的比冲可以远大于传统的化学推进发动机。实际上，电源系统始终是制约电推进发展的一个关键要素，当前应用的电源系统大部分为太阳能电池板，其功率较小。制造核动力火箭发动机所需的技术并非遥不可及。美国已经设计出一种小型核动力火箭发动机，称为微型核反应堆发动机，大约还要67年可制造出来。美国宇航局表示，它在月球探测技术方面想做的主要是加速包括核能推进在内的新推进技术的研发工作。在美国宇航局2003财年预算草案中，有4650万美元用于核推进研究；有7900万美元用于航天器核反应堆研制。在月球探测中，缩短到达月球的时间，使观测卫星能以较少的推进剂携带更多的观测仪器等要求

23、，都会使电推进、核推进等高效推进技术成为最重要的技术而得以更快地发展电推进中推进剂喷出推力器时的动能是由电源的能量也就是功率决定的，因此理论上来说，只要电源系统的功率足够大，电推进系统的比冲可以远大于传统的化学推进发动机。实际上，电源系统始终是制约电推进发展的一个关键要素，当前应用的电源系统大部分为太阳能电池板，其功率较小。几种典型电推进推进器的性能如表所示。6 飞行器的三视图和大概尺寸主要技术参数长：325.8米宽：164.5米高：84.9米（不算护盾83.8米）重量：4350000千克最大推力：278000千克最大速度增量：22千米秒典型能源消耗：4.3千瓦时秒千克米（1）基础桁架。它用来安装各舱段、太阳能电池板、移动服务系统及站外暴露试验设施等。（2）居住舱。它主要用于航天员的生活居住，其中包括走廊、厕所、淋浴、睡站和医疗设施，由美国承担研制和发射到太空。（3）服务舱。它内含科学仪器设备等服务设施，也含一部分居住功能。（4）多功能货舱。它内设有航天员生命保障设施和一部分居住功能，以及电源、燃料暂存地等。（5）多个实验舱。其中美国1个命运号、欧空局1个哥伦布号、日本1个希望号、俄罗斯3个。美国、日本和欧空局的3个实验舱将提供总计为33个国际标准的有效载荷机柜；俄罗斯的实验舱中也有20个实验机柜。