无热子空心阴极解耦启动与点火寿命增长方法研究

发布时间：2020-11-23 12:03

　　 空心阴极作为一种电子源和中和器,广泛应用于多种航天任务。无热子空心阴极移除了加热器这一寿命限制结构,提高了寿命可靠性。在实际多次点火中,发现了点火失效、阴极结构扩孔、暴露大气后再启动困难等一系列问题,且耦合点火时不利于解耦分析、冲击电流大,耦合点火策略的选择也存在盲目性。为更好地解决上述问题,保障无热子空心阴极点火的顺利进行,提升启动寿命,本文针对性地进行了下列研究:考虑到解耦启动时单阴极的点火方式,针对单阴极触持极启动特性进行了专项研究。利用示波器对点火波形及气压变化进行采集并结合高速相机拍摄启动过程。对比了阳极启动和触持极启动两种不同的单阴极启动模式,将启动阶段重新划分为三个阶段。重点关注到影响点火成功的点火关键阶段并研究了点火参数、回路参数对该阶段的影响。大点火流量,大放电电流预置均会保障关键阶段的平稳过渡,减小点火冲击;大点火电压、大触持放电电压以及外加电容情况给关键阶段带来更大的波动,增大了点火冲击。通过人为的扩孔处理,分别对阴极的钨顶孔、触持极孔以及发射体内径进行变孔径研究。将放电波形、气压变化以及高速相机结果结合COMSOL仿真分析长寿命期间扩孔影响。钨顶孔扩孔导致启动过程羽流等离子体密度的下降和电子温度上升,易于实现点火但会增加稳态放电电压。触持极扩孔减小了点火初期等离子体密度减小了钨顶孔区电子温度,增大了点火困难性,提升了点火稳定性。发射体扩孔增加了点火冲击,提升了点火困难性。针对实际空间任务的阴极需求,通过外加加热器研究对阴极启动寿命的拓展。进行了加热器与冷阴极点火的解耦分析,证明装配加热器后阴极两种点火方式的可行性,研究了加热对冷启动的影响。加热会明显改善暴露大气后启动困难性,减小冷启动电流冲击,拓展阴极点火边界,有效提升冷阴极点火寿命。采用了两种不同的推力器点火方式,通过示波器的放电电流波形采集结合探针收集的饱和电子电流信号对这两种不同点火方式进行研究。表明了错时点火能够减小点火冲击。重点针对错时点火方式研究了不同点火参数的影响,指出了各参数选择的合理范围。提出采用先供气再点阴极后开启阳极电压的错时点火方式能够降低点火冲击,提高一致性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V432
【部分图文】：

空心阴极是一种电子发射源，多应用于航天电推进系统[1]，同时也可其他等离子体放电的相关领域，如表面处理[2-3]，真空镀膜[4]，真空由目前本实验室积累的关于空心阴极多次启动实验情况来看，无热子在多次启动后伴随点火失效、结构扩孔、启动困难的问题，而在与推点火时又表现出与单阴极启动不同的结果，这对于空心阴极实际在轨大的影响，直接影响到了阴极甚至推力器的寿命可靠度。单独的冷阴极在 60 次启动后在发射体的上表面和钨顶的内表面出现的污染情况（图 1-1）。在多次点火（远大于 60 次）后甚至出现发射情况发生（图 1-2），胀裂的发射体碎块脱落并卡在钨顶节流孔上（图了阴极的运行。实际点火实验过程中还发现，冷阴极在暴露大气后或火后极易出现无法点着的情况，启动可靠性变差；长寿命工作期间会扩孔，对启动过程有不明确的影响。另外，阴极单独点火与阴极和发点火存在差异性。并且在耦合点火时不利于对阴极和推力器点火过程析，一旦点火失效发生，难以判断失效来源，此外耦合点火时有很高击问题。

-2 阴极点火过程中脱落的发射体碎块 图 1-3 碎块卡在钨顶节流孔上 研究的目的和意义作为电推进系统中的重要部件，空心阴极在该系统中有最高的等离最大的电流密度和最高的工作温度，其工作性能与寿命是推力器性键指标。加热器作为阴极失效的串行结构件，其本身工作温度很高生蒸发腐蚀等导致最终的断路或短路失效[6]。加热器失效是传统空的主要表现形式之一[7]。近年来，使用高电压击穿点火的无热子空了广泛的关注。无热子空心阴极由于其更快的启动速度、简单的结可靠性，是航天用空心阴极的重要发展方向[8]。由于移除了加热器极失效的关键部件，使得无热子空心阴极的寿命可靠性相比热阴极。目前在轨应用的电推力器主要有霍尔推力器和离子推力器两种。空两种推力器中都是关键部件，起着点火、维持放电以及中和羽流的寿命直接决定了电推进系统的寿命可靠性[10]。无热子空心阴极采用

-2 阴极点火过程中脱落的发射体碎块 图 1-3 碎块卡在钨顶节流孔上 研究的目的和意义作为电推进系统中的重要部件，空心阴极在该系统中有最高的等离最大的电流密度和最高的工作温度，其工作性能与寿命是推力器性键指标。加热器作为阴极失效的串行结构件，其本身工作温度很高生蒸发腐蚀等导致最终的断路或短路失效[6]。加热器失效是传统空的主要表现形式之一[7]。近年来，使用高电压击穿点火的无热子空了广泛的关注。无热子空心阴极由于其更快的启动速度、简单的结可靠性，是航天用空心阴极的重要发展方向[8]。由于移除了加热器极失效的关键部件，使得无热子空心阴极的寿命可靠性相比热阴极。目前在轨应用的电推力器主要有霍尔推力器和离子推力器两种。空两种推力器中都是关键部件，起着点火、维持放电以及中和羽流的寿命直接决定了电推进系统的寿命可靠性[10]。无热子空心阴极采用
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本文编号：2894695