复杂工质螺旋波等离子体推力器原理及实验研究

发布时间：2020-11-01 13:46

　　 随着我国载人航天事业的发展,将载人空间站长期运行产生的大量废弃物难题与空间站需要姿轨控的现实需求相结合,极具研究意义。近年来,螺旋波等离子体推力器受到广泛关注并成为空间推进领域新的研究热点,具有长寿命、高效率等特点。因此,本文针对空间站废弃物处理后的几种气体成分(H_2、CO_2和CH_4),将其作为螺旋波等离子体推力器的推进工质,采用数值模拟与实验研究相结合的方法对复杂工质螺旋波等离子体推力器开展研究,为面向载人空间站应用的复杂工质推力器技术奠定理论基础和技术储备。本文具体研究内容如下:本文论述了传统电推进在使用空间站废弃物作为推进工质中的不足,提出并分析了螺旋波等离子体推力器以废弃物处理后的气体作为推进工质的研究方向和应用优势,结合国内外研究现状,指出了该研究方向的可行性。本文对螺旋波等离子体推力器的高效产生机理及等离子体加速机理进行了理论分析,并基于COMSOL有限元仿真软件,参照常规型工质Ar的螺旋波等离子体放电数值模拟方法,针对载人空间站处理后的三种气体成分H_2、CO_2和CH_4,分别将其作为推进工质,依次开展了螺旋波放电数值模拟,分析了射频功率、放电气压及外加磁感应强度的变化对等离子体性能的影响,并为复杂工质螺旋波等离子体推力器的实验研究提出了一些定性的指导意见。本文利用现有的螺旋波等离子体推力器实验样机,分别以Ar和CO_2为推进工质,初步开展了性能测试,利用射频补偿探针研究了射频功率的变化对等离子体参数的影响。实验研究结果表明,分别以Ar和CO_2为工质均可实现可靠点火,但测得的电子数密度和比冲较低,推力也较小,一定条件下,两种气体放电过程中的电子数密度均随射频功率的增大而增大。通过对实验结果分析,提出了改进方案。等离子体密度相对较低的原因是受实验条件所限,提供的射频功率较小,不能给工质气体提供足够的电离能量;另外,等离子体比冲太低,除了测试系统和计算方法的因素,现有实验样机的外加磁场位型出现了问题,不但不利于双层加速效应的形成对等离子体起到加速效果,甚至可能降低等离子体的速度阻碍其加速喷出,针对此问题,对磁路系统提出了改进设计方案。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V439.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 以空间站废弃物为工质的传统电推进
    1.3 螺旋波等离子体推力器概述
    1.4 国内外研究现状
        1.4.1 国外研究现状
        1.4.2 国内研究现状
    1.5 本文的研究内容
2 螺旋波等离子体推力器的基本理论
    2.1 螺旋波等离子体源基本特征
        2.1.1 螺旋波的色散关系和波结构
        2.1.2 等离子体高效产生机理
    2.2 HPT加速机理
        2.2.1 双层加速效应
        2.2.2 磁喷管加速
    2.3 本章小结
3 基于复杂工质的HPT放电过程的数值模拟
    3.1 以Ar为工质螺旋波等离子体放电模拟
        3.1.1 射频功率对HPT放电特性的影响
        3.1.2 放电气压对HPT放电特性的影响
        3.1.3 磁感应强度对HPT放电特性的影响
2为工质螺旋波等离子体放电模拟'>    3.2 以H₂为工质螺旋波等离子体放电模拟
        3.2.1 射频功率对HPT放电特性的影响
        3.2.2 放电气压对HPT放电特性的影响
        3.2.3 磁感应强度对HPT放电特性的影响
2为工质螺旋波等离子体放电模拟'>    3.3 以CO₂为工质螺旋波等离子体放电模拟
        3.3.1 射频功率对HPT放电特性的影响
        3.3.2 放电气压对HPT放电特性的影响
        3.3.3 磁感应强度对HPT放电特性的影响
4为工质螺旋波等离子体放电模拟'>    3.4 以CH₄为工质螺旋波等离子体放电模拟
        3.4.1 射频功率对HPT放电特性的影响
        3.4.2 放电气压对HPT放电特性的影响
        3.4.3 磁感应强度对HPT放电特性的影响
    3.5 模拟结果分析
    3.6 本章小结
4 基于复杂工质的HPT的实验研究
    4.1 实验系统
    4.2 HPT性能测试
        4.2.1 HPT样机初步调试结果
        4.2.2 射频功率对Ar放电性能的影响
2放电性能的影响'>        4.2.3 射频功率对CO₂放电性能的影响
        4.2.4 实验结果分析
    4.3 实验方案改进设计
    4.4 本章小结
5 总结与展望
    5.1 全文总结
    5.2 下一步工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】

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本文编号：2865622