新型Z-Pinch PPT的设计和试验分析

发布时间：2020-06-23 16:59

【摘要】：上世纪80年代以来,国际上微小卫星的发展十分迅猛。脉冲等离子体推力器(Pulsed Plasma Thruster,PPT)具有结构简单、比冲高、成本低以及推力易控制等优点,因此,其在微小卫星研究领域受到越来越多的关注。但传统平行板脉冲等离子体推力器必须借助火花塞才能实现点火,限制了推力器微小化和轻量化,点火电压高达数千伏,给PPT的在轨运行带来安全隐患。虽然同轴型PPT不需要火花塞,但点火电压仍然需要几千伏。另外,虽然传统PPT的比冲比较高,但推功比比较低、推进剂利用效率不高,这些都限制了其在轨应用。为了去掉火花塞、降低点火电压、提高推功比,从而实现固体推进剂PPT的轻量化和微小化、提高安全性和推进剂使用效率、拓展在轨应用范围,本文将Z-Pinch原理应用于PPT,并结合自点火技术,实现了一种无需火花塞的新型脉冲等离子体推力器(Z-Pinch SI-PPT)。通过对聚四氟乙烯表面进行改性,降低了点火电压,实现了点火和放电一体化,从而成功地去掉了火花塞。该新型推力器的两个电极均由黄铜制成。阳极为钉状,阴极中心位置有一小口,轴向流动的等离子体会从该小口喷射而出。同时,采用电感储能升压原理,设计了功率处理单元。功率处理单元的组成元素主要有方波信号发生器、MOSFET开关、电感以及电池组等。置于真空舱内的推力器通电后,由于阴极和阳极之间圆筒形推进剂表面的弱导电性使得两端电压升高,推进剂表面温度随之升高并产生少量的涂层和推进剂蒸汽,蒸汽在高电压下放电完成自点火过程。烧蚀电离推进剂的同时,径向挤压部分电离的烧蚀产物,等离子体高速喷出形成推力。利用电子显微镜对多次点火和稳定工作后的推进剂表面进行扫描,结果显示推进剂表面出现轻微碳化现象。并且,在工作过程中会连续不断沉积少量从电极溅射出来的金属,从而维持了表面弱导电性,实现了无需火花塞而保持持续脉冲和重复点火。根据Z-Pinch SI-PPT的点火电压、离子电流、元冲量等的测量需求,设计并搭建了几套实验测量装置。真空舱内多次点火实现累计脉冲1万多次的试验结果表明,Z-Pinch SI-PPT的主要性能指标为:点火电压480V,推功比17.83μN/W,推力85.6μN,元冲量4.28μN?s、离子电流40mA。与传统脉冲等离子体推力器相比,Z-Pinch SI-PPT的点火电压为同轴型脉冲等离子体微推力器的24%,气体短脉冲等离子体推力器的2.4%。其推功比比传统PPT的推功比大69.8%。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V439.2
【图文】：

结构图,结构图,推力器

索茫茫宇宙一直是人类的梦想。在几代科研将人类历史上的第一颗卫星送上太空。人造的足迹从陆地、海洋、大气层扩展到了浩瀚类社会的进步产生了重大而深远的影响[1]。以来，微小卫星的研究得到了越来越多的重星的不断发展，需要设计轻质量、高比冲、推力器。脉冲等离子体推力器（Pulsed Plas小体积、轻质量和低成本等潜在优点，理论小卫星的位置保持、姿态控制和轨道提升等年代以来，我国就已经开展了对电推进的研截止到现在，PPT 在卫星上还没有得到实际，包括点火机理、等离子体的产生和加速、 PPT 的工作机理，才能有针对性地改进推力靠性、提高推力器的性能参数以及延长推力

结构图,同轴型,结构图,氩气

第一章绪论烯表面被烧蚀，阴阳极之间的推进腔内形成体区和铜芯阴极之间形成闭合回路，感应磁力。Hiroshi[7]等在 2016 年设计出了一种气体用氩气为推进剂，当给电极施加的电压超过氩气被加热，进而电离，产生等离子体。虽点火电压高达 20000V。同时，其工质为气体系统的体积。

【参考文献】