面向微小卫星推进应用的脉冲等离子体特性研究
发布时间：2020-06-23 14:12
【摘要】：微小卫星推进器的优化是微小卫星发展的重要组成部分。目前微小卫星推进器的研究主要集中在简化推进器结构、减小体积和质量、提升推进比冲和效率等方面。然而,微小卫星推进器的种类繁多,不同类型的推进器使用的推进工质并不相同,且有着完全不同的推力形成机制。基于电磁型推进器结构简单的特点,本文对采用固体工质的真空弧推进器和脉冲等离子体推进器进行了分析和研究,并通过仿真和实验对各研究点进行了验证。真空弧推进器和脉冲等离子体推进器均工作在脉冲放电模式,单次放电时间在μs级,电流幅值在100 A以上。本文搭建了基于真空脉冲放电的等离子体研究平台并建立了相应的系统仿真模型,分析了脉冲放电系统的暂态过程和基于电极等效电路的电极击穿动态变化过程。分析了电路参数对电极放电的动态响应特性的影响,证明了通过对电路参数的优化可以有效增大电极放电功率,提高系统能量利用率。真空弧推进器的推力来源于金属等离子体的定向传播特性。本文研究了同轴型电极结构的基本参数对等离子体生成的影响。从阴极尖端的锥角度数和阴极材料两方面分析了提高电极放电稳定性和金属等离子体推进效果的阴极结构参数。通过对电极间距、绝缘筒内径、喷口形状和阳极“自磁场”的研究,得到了增大Hump电势的峰值和利用θ箍缩提升等离子体轴向传播密度的方法。针对“无触发”低电压触发方法目前存在的低熔点和易氧化金属导致触发失效和太空中维护困难问题,提出一种基于碳纤维“自触发”的低电压触发方法。实现了低至几百伏的可靠的真空弧触发,为真空弧推进器的触发提供了一种可行的方案。针对真空弧推进器等离子体射流容易发生径向发散导致效率低下的问题,提出了一种基于多阳极电极结构的长间隙真空击穿的放电方法。分析了多阳极电极结构的放电特性,研究了通过改变电气放电过程中电流流动路径从而实现等离子体密度轴向分布的Z箍缩特性。脉冲等离子体推进器主要利用沿面闪络形成的大电流对绝缘工质进行烧蚀从而生成等离子体产生推力。本文对同轴型脉冲等离子体推进器的基本电极结构进行了分析,得到了工质轴向烧蚀距离、工质筒内径和工质表面状态对电极放电特性和等离子体生成特性的影响。常规的脉冲等离子体推进器主要采用火花塞的触发。本文在简化推进器结构取消火花塞触发的情况下,研究了降低沿面闪络触发电压的方法。提出了利用电位悬浮的感应电极增大阴极三结合点电场强度和优化电极内部电场矢量分布的触发方法。针对传统电极脉冲等离子体推进器等离子体羽流发散导致推进效率低的问题,研究了利用多阳极电极结构实现非接触型沿面放电的方法。基于多阳极电极结构下等离子体的Z箍缩特性,研究了烧蚀型等离子体的空间密度分布。并在多阳极电极结构的基础上提出了基于阴极“自磁场”的等离子体羽流优化方法,验证了其进一步优化等离子体密度分布的有效性。为了验证本文的研究点,搭建了微推力测试平台。通过冲力摆微推力测量仪和PVDF压电薄膜微推力测量仪对两种推进器的单脉冲推力效果进行了测量。对真空弧推进器和脉冲等离子体推进器在电极优化前和优化后的元冲量和推力-功率比等推进参数进行了对比分析,验证了本文提出的优化等离子体羽流在提升微小卫星推进特性方面的有效性。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V439
【图文】：
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本文编号：2727445
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V439
【图文】：
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