微阴极电弧推力器的试验与优化
发布时间：2021-06-25 05:29
立方星的快速发展和对任务多元化的需求对于微推进提出了新的需求。微阴极电弧推力器使用固体推进剂,通过功率处理单元（PPU）在推力器两端产生高达数百伏的瞬态高压,在导电薄膜的作用下引发电弧,电离并加速阴极工质,具有高比冲、低功率的工作特性,且无需使用储罐,质量体积较小,适合作为立方星卫星推进系统完成轨道保持、编队飞行等空间任务,具有很好的发展前景。本文首先介绍了微阴极电弧推力器的设计与实验条件,以及推力器等离子体参数测量装置的工作原理,设计并加工了结构简单,可靠性较高的推力器样机。同时设计了基于TOF法测量原理的离子速度测量装置、基于探针的离子电流测量装置以及基于CCD高速相机的阴极斑点旋转速度的测量装置。另外,介绍了试验的真空环境,及各项设备,具备了试验条件,为下一步对推力器的优化提供了保障。其次,研究了推力器设计参数的优化,影响推力器性能的设计参数主要包括磁场环境、阴极与阳极的放电距离、阳极材料、以及导电薄膜等几个方面,测试了不同放电距离下,推力器各项参数性能的影响规律,使用具有烧蚀特性的黄铜材料作为阳极的情况下,推力器的离子电流与离子速度的变化,最后,研究导电薄膜的制备工艺,探究如何...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
000年至2018年立方星的发射数量[37]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2我国立方星的研制也在如火如荼的展开，已有多所高校和研究机构发射了自己研制的立方星，图1-2是哈尔滨工业大学研制的紫丁香2号卫星。目前，我国大部分微纳卫星并没有推进系统，少数卫星如神七伴星等采用冷气推进，其余均采用飞轮进行姿态控制。随着立方星的发展，对于姿态调整、位置保持等任务提出了更高的要求。对微纳卫星的推进需求日益增大，传统推进方式已不能满足要求。迫切的需要一种符合立方星特点和要求的新型微推进系统。图1-2哈尔滨工业大学研制的紫丁香2号纳卫星[37]因为立方星体积小，质量轻的特点，作为立方星的微推进系统必须要考虑诸多方面的约束。首先，推进系统必须输出微牛范围内的低水平推力，并能够在较低的功率水平下运行。其次，推进系统必须与立方星10×10×10厘米的外形尺寸相匹配，净质量要小于500克。第三，根据立方星设计标准3.1.3[36]要求，不允许使用烟火，这便将固体化学推进排除在外。最后，和所有航天系统一样，立方星的微推进系统必须高度可靠。鉴于立方星的微推进的诸多要求，传统化学推进已经难以满足。冷气推进可以为立方星提供20m/s左右的速度增量，但受体积和较小比冲的限制，无法提供更多的速度增量。小型的电力推进系统，具有更高的比冲和更长的寿命，并且能够更好地控制推力，可以更好的满足立方体卫星的微推进需求。其中，微阴极电弧推力器的结构如图1-3所示，使用固体推进剂，通过功率处理单元(PPU)在推力器两端产生高达数百伏的瞬态高压，在导电薄膜的作用下引发电弧，电弧烧蚀并电离阴极金属，金属离子在电场和磁场的共同作用下加速喷出，产生推力。微阴极电弧推力器具有高比冲、低功率的工作特性，且无需使用储罐，质量体积较小，适合作为立方星卫星推进
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3图1-3微阴极电弧推力器结构和工作原理图1.2国内外的研究现状及分析目前，国内外的专家和学者根据立方星的特点和要求研究了包括太阳帆、冷气推进和电推进等多种微推进系统。其中，微阴极电弧推力器因其采用固体推进剂的特点和脉冲工作的特点，具有小质量和高比冲的优势，下面将具体介绍立方星微推进系统和微阴极电弧推力器的研究现状。1.2.1立方星微推进系统的研究现状目前适用于立方星的微推进主要有太阳帆、冷气推进和电推进等，通过各自的工作机制，实现推进功能。太阳帆利用来自太阳发射的光子的动量来为航天器提供推进力。虽然光子动量很小，但如果风帆足够大，则可以获得足够的速度增量。NanoSail-D2是NASA研制的一颗3U的立方星。该卫星是第一颗搭载了绕地球轨道运行太阳帆的立方星，也是第二颗在太空中部署太阳帆的卫星。但由于轨道较低，卫星所搭载的太阳帆未能产生预期的推力[38]。图1-4为在LightSail-ACubeSat上成功部署太阳帆。冷气推进的定义为仅使用储存焓通过喷嘴加速气体，而没有任何燃烧，加热或其他增加能量的机制[40]。推进剂进料由加压罐提供的压差或在推进剂罐和喷嘴之间的加压装置实现。唯一需要的动力是控制阀门并提供较低的热量以使工质在通过喷嘴排出之前保持正常工作时所需温度。由于具有低功率和结构简单的特性，冷气系统已经多次进行飞行试验，与其它类型相比，冷气推进的推力较大，但是比冲明显更低，因而在携带同等质量推进剂的情况下可以提供的速度增量更少，图1-5为VACCO公司设计并制造的一种有五个喷嘴的冷
本文编号：3248596
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
000年至2018年立方星的发射数量[37]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2我国立方星的研制也在如火如荼的展开，已有多所高校和研究机构发射了自己研制的立方星，图1-2是哈尔滨工业大学研制的紫丁香2号卫星。目前，我国大部分微纳卫星并没有推进系统，少数卫星如神七伴星等采用冷气推进，其余均采用飞轮进行姿态控制。随着立方星的发展，对于姿态调整、位置保持等任务提出了更高的要求。对微纳卫星的推进需求日益增大，传统推进方式已不能满足要求。迫切的需要一种符合立方星特点和要求的新型微推进系统。图1-2哈尔滨工业大学研制的紫丁香2号纳卫星[37]因为立方星体积小，质量轻的特点，作为立方星的微推进系统必须要考虑诸多方面的约束。首先，推进系统必须输出微牛范围内的低水平推力，并能够在较低的功率水平下运行。其次，推进系统必须与立方星10×10×10厘米的外形尺寸相匹配，净质量要小于500克。第三，根据立方星设计标准3.1.3[36]要求，不允许使用烟火，这便将固体化学推进排除在外。最后，和所有航天系统一样，立方星的微推进系统必须高度可靠。鉴于立方星的微推进的诸多要求，传统化学推进已经难以满足。冷气推进可以为立方星提供20m/s左右的速度增量，但受体积和较小比冲的限制，无法提供更多的速度增量。小型的电力推进系统，具有更高的比冲和更长的寿命，并且能够更好地控制推力，可以更好的满足立方体卫星的微推进需求。其中，微阴极电弧推力器的结构如图1-3所示，使用固体推进剂，通过功率处理单元(PPU)在推力器两端产生高达数百伏的瞬态高压，在导电薄膜的作用下引发电弧，电弧烧蚀并电离阴极金属，金属离子在电场和磁场的共同作用下加速喷出，产生推力。微阴极电弧推力器具有高比冲、低功率的工作特性，且无需使用储罐，质量体积较小，适合作为立方星卫星推进
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3图1-3微阴极电弧推力器结构和工作原理图1.2国内外的研究现状及分析目前，国内外的专家和学者根据立方星的特点和要求研究了包括太阳帆、冷气推进和电推进等多种微推进系统。其中，微阴极电弧推力器因其采用固体推进剂的特点和脉冲工作的特点，具有小质量和高比冲的优势，下面将具体介绍立方星微推进系统和微阴极电弧推力器的研究现状。1.2.1立方星微推进系统的研究现状目前适用于立方星的微推进主要有太阳帆、冷气推进和电推进等，通过各自的工作机制，实现推进功能。太阳帆利用来自太阳发射的光子的动量来为航天器提供推进力。虽然光子动量很小，但如果风帆足够大，则可以获得足够的速度增量。NanoSail-D2是NASA研制的一颗3U的立方星。该卫星是第一颗搭载了绕地球轨道运行太阳帆的立方星，也是第二颗在太空中部署太阳帆的卫星。但由于轨道较低，卫星所搭载的太阳帆未能产生预期的推力[38]。图1-4为在LightSail-ACubeSat上成功部署太阳帆。冷气推进的定义为仅使用储存焓通过喷嘴加速气体，而没有任何燃烧，加热或其他增加能量的机制[40]。推进剂进料由加压罐提供的压差或在推进剂罐和喷嘴之间的加压装置实现。唯一需要的动力是控制阀门并提供较低的热量以使工质在通过喷嘴排出之前保持正常工作时所需温度。由于具有低功率和结构简单的特性，冷气系统已经多次进行飞行试验，与其它类型相比，冷气推进的推力较大，但是比冲明显更低，因而在携带同等质量推进剂的情况下可以提供的速度增量更少，图1-5为VACCO公司设计并制造的一种有五个喷嘴的冷
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