大气呼吸电推进系统(ABEP)的进气口设计

具有挑战性的空间任务包括那些在极低高度执行的任务，其中大气是航天器空气动力阻力的来源。为了延长此类任务的寿命，需要高效的推进系统。一种解决方案是大气呼吸电推进(ABEP)，其收集大气粒子用作电推进器的推进剂。该系统将最小化对有限推进剂可用性的需求，并且也可应用于任何具有大气的行星体，从而在低高度范围实现更长时间的新任务。IRS正在H2020 DISCOVERER项目内开发用于ABEP系统的进气口和推进器。本文描述了进气口的设计与仿真，该进气口经过优化以供给IRS开发的射频(RF)基于Helicon的等离子体推进器。文章特别处理了基于漫反射和镜面反射材料的进气口设计，这些设计通过PICLas DSMC-PIC工具进行分析。针对基于完全漫散射和镜面散射（包括混合设计）的若干概念，研究了轨道高度$h=150-250$ km以及基于NRLMSISE-00模型的相应物种（O、$N_2$、$O_2$、He、Ar、H、N）。主要焦点在于定义为$\eta_c=\dot{N}_{out}/\dot{N}_{in}$的进气口效率，其中$\dot{N}_{in}$为入射粒子通量，$\dot{N}_{out}$为进气口收集的粒子通量。最后，选出并给出了两个概念，其为与所选推进器运行提供最佳预期性能的方案。第一个基于完全漫适应，得到$\eta_c<0.46$；第二个基于完全镜面适应，得到$\eta_c<0.94$。最后，还分析了与来流不对准的影响，突出显示了漫反射进气口中$\eta_c$的强依赖性，而……