[科普中国]-电弧加热喷气发动机

电弧加热喷气发动机又称电弧加热喷气推力器。用电弧放电加热的推进剂经喷管气动力加速喷射而产生推力的一种电热发动机。

简介电弧加热喷气发动机又称电弧加热喷气推力器。用电弧放电加热的推进剂经喷管气动力加速喷射而产生推力的一种电热发动机1。

原理圆柱形阴极的头部紧靠喷管的喉部，喷管兼作阳极。当阴极与阳极间加点火电压并通入推进剂气体时，阴极头部与喷管喉部间产生电弧放电，推进剂被电弧加热后从喷管喷出。电弧放电中心的温度很高(10³~10⁴℃)，因而比冲比电阻加热喷气发动机高，用肼作推进剂时，可以达到5000~6000N·s/kg，用氨和氢作推进剂时，可以达到6000~10000N·s/kg。它的气体加热过程是在阴极与阴极环隙的空间进行的，因而其比冲和工作寿命不像电阻加热喷气发动机那样受壁面材料耐高温性的限制。它的电源变换器与控制系统比电阻加热喷气发动机复杂,有启动时瞬态和正常后稳态两种工作模式，放电电压为80~130V，启动时需在阴极与阳极间加高电压点火脉冲。这种发动机的比冲属于中等，效率较低(25%~40%)，但启动时间短，功率排力比仅是离子和等离子体发动机的30% ~ 50%，推力和功率范围宽，适用于中小型航天器的多种辅助推进和主推进，已在多颗卫星上应用1。

测地卫星它是专门用于大地测量的人造地球卫星。测地卫星用于测定地面点位坐标、地球形体和地球引力场参数，属于星测地系统的空间部分，可作为地面观测设备的观测目标或定位基准。其它类型的人造地球卫星也可用于测地研究,但是精确地测地需要使用专门的测地卫星。测地卫星为大地测量学的发展开辟了新的前景,促成空间大地测量学这一新的学科分支。测地卫星的主要优点是：

①提供了在全球范围内进行大地联测的全球统一地心坐标系；

②人造卫星轨道运动反映了地球引力场的各种摄动，通过长期观测就可精确测定地球引力场参数；

③用卫星进行大地联测，基线可以长达数干公里，两点间不受视距限制，因此控制点位的定位精度比常规大地测量网的精度高一个数量级；

④测地卫星还可用来测量平均海平面高度的变化，研究地壳运动和大陆漂移，并能预测地震和海啸等。

测地卫星根据卫星上是否载有专用测地系统分为主动测地卫星和被动测地卫星；根据测地任务和方法可分为几何学测地卫星和动力学测地卫星2。

电弧的历史发展电弧可作为一种能将推进剂加热到比一般化学火箭发动机燃烧温度(3000K左右)更高的有效手段。60年代早期，曾致力于发展高比冲高功率电弧加热喷气火箭发动机，所碰到的共同问题是:喷管的放电烧蚀、各种损失造成的低效率和阳极烧蚀等。

从60年代后期到70年代后期，针对电弧加热器开发了许多高压电弧研究。所设计产生的电弧，由压缩电弧、同轴电弧到祸流稳定电弧不断发展。经过这些努力，使气体的焓值和设备的使用寿命均有所增加。提高能量转换效率是兆瓦级电弧加热器研究的主要问题。

80年代中期的成就改变了人们对电弧加热喷气火箭发动机是否可以应用发展的观念。高效能太阳能接收器的发展，显著地改善了功率与质量的比值。使用大容量的蓄电池使卫星的功率从数百瓦提高到数千瓦。合理安排使用这些电能，对电弧加热喷气发动机几乎可以说是“免费”。所发展的核电系统也具有非常高的功率/质量比特性。由此使人们看到了电弧加热火箭发动机成为星际间飞行动力的可能性。

电弧加热喷气发动机的主要目标是应用于高效率、高比冲和推力适当低的推进场合，主要有两类: 一是用于卫星的位置保持、地球轨道转移和姿态控制；一是作星际空间探测的主推进发动机。

低功率肼推进剂电弧加热推进技术已基本完成实际飞行前的应用研究，只是还需进一步努力才能达到1000h以上的工作寿命要求，美国以NASA路易斯研究中心，火箭研究公司，通用电气公司为主，已研制出功率为1. 8kW，比冲5000N·s/kg，推力最小为178mN，寿命超过1000h，可起动900次，推进剂为联氮的可供空间应用的此类发动机系统。德国和意大利正在研制用于通讯卫星保持南北位置的小功率(0.5~1.5kW)的此类发动机系统，将于90年代中进行空间飞行试验。日本也正在研制0.5~2kW的发动机，也在研究15kW的大功率系统。美国和欧空局还在研究10~30kW的大功率系统，拟用作把卫星从低轨道提升到同步轨道及星际飞行的主推进系统3。

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学