电推进空心阴极供电回路设计与启动特性研究
发布时间：2021-08-10 19:51
空心阴极作为空间电推力器的心脏,对推力器以及航天器的性能影响极大,空心阴极既可以当作电子源中和器,也可以用来做微型推力器。传统的空心阴极点火通常需要较多电源分开供电,造成供电电源复杂庞大,空心阴极在启动时存在点火电压、电流振荡问题也需要解决,除了从阴极本身结构上优化,也可以从外接电源模块和供电策略上进行探讨。因此,本文针对以上问题,进行了以下研究:通过研究热启动空心阴极的点火特性,对比了阴极电源直接供电和外接功率模块的区别,总结了热启动空心阴极的供电需求和供电装置,通过对热启动空心阴极的点火电路选型,选用推挽电路作为阴极的点火模块,后面的点火模块均以该拓扑作为基础,最后提出了一种热启动空心阴极的供电回路设计方法,为后续章节的电源系统集成设计奠定了基础。针对外启动无热子空心阴极进行了启动电路设计,提出外接点火模块和触持模块的设计方法,研究该启动回路对阴极启动的影响,对比了电感和电容对外启动冷阴极的启动特性影响。对比了外接电源模块和传统的多电源供电的差异,如启动时间、电压电流的振荡幅值以及启动瞬间的尖峰脉冲。从等离子体放电的角度优化了启动放电回路,提出了一种优化后的发射体结构,通过高速相机...
【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】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Sitael的热空心阴极组装(左)和HT100推力器(右)[8]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-空心阴极微推力器推力可以达到2.5mN，比冲达到2500N·s/kg，推功比达到0.07mN/W，T6空心阴极微推力器的推力可以达到6mN，比冲达到5000N·s/kg,但在高比冲下运行会出现较大的放电电压波动[27-28]。南安普敦大学Daykin等人研制的一款无热子空心阴极，如图1-4所示，发现阴极-触持间距以及气体流量对阴极击穿电压的影响最大，而触持孔的曲率半径的改变可以使击穿电压下降20%[29]，通过减小触持极孔，可将点火电压降到350V，点火时间小于50s，所需能量仅为热阴极的1/6[30]。图1-4无热子空心阴极原理图（左）及组装图（右）[29]2007年，乌克兰研制的M1.05和M5.04空心阴极在SPT-70，SPT-100霍尔推力器中进行了试验，M1.05和M5.04的使用使推力器的启动时间比原来小4个数量级，阴极的功耗、流率消耗也比原来减少了2～3倍[31]。V.Vekselman等人发现，无热子空心阴极点火启动过程分为三个阶段：击穿、加热和保持[32]。LevD等人对无热子空心阴极进行了1500小时的磨损测试，在点火电压不超过400V的情况下，可以冷启动并且过程可重复，后在3500次冷点火试验中，10秒内点火，成功率100%[33]。而MargaretM等人采用爆破式和大流量点火结合的方法可用于无热子阴极点火[26]。同样，哈尔滨工业大学通过采用六硼化镧发射体结合大流量供气，实现了毫秒级快速启动及发射体低烧蚀控制[34]，并开展了一万次的启动验证，期间放电伏安特性稳定满足工程应用需求[35]，而二次电子发射和热扩散是影响无热子空心阴极启动的重要因素,另外，哈尔滨工业大学发现冷启动过程可分为未点着过程，过渡过程和稳定点着过程，稳定点火过程又分成击穿和自持两个阶段[2]。美国NASA曾开展3550次的点火测试，发现发射体出现?
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-化[36]。兰州物理研究所丁继等人总结了阴极弧光放电的有利因素[25]：给阴极提供大流量可产生高气压，使点火电压降低，可促进阴极进入弧光放电。另外，更高的点火电压、更大的点火电流以及更小的输出电阻都能促进弧光放电建立。哈尔滨工业大学进行了10000次无热子空心阴极点火[34]，如图1-5所示，发现阴极孔-板入口处发生局部熔化，后通过模拟表明是离子轰击引起了孔板和发射体的倒角，孔板上的热沉积导致孔板的过热和熔化。另外，阴极点火时的溅射腐蚀会导致阴极失效，而减小放电电流，增加工质流率可以降低溅射腐蚀速率[37-38]。图1-5无热子空心阴极的启动特性[34]]无热子空心阴极启动时不需要加热丝进行预热，在一定程度上能够减少能量的消耗，并且比热阴极结构更简单，在一定程度上有助于阴极本身重量的减少、体积的优化、可靠性的提高。无加热点火机制可以降低点火过程中的功率需求、消除对加热器电源的需求、将推进系统的准备时间缩短到几十秒、延长阴极寿命[3]。然而，无热子空心阴极也面临一些缺陷，比如，启动时需要高压击穿，对电源的绝缘材料要求较高，启动时加热没有集中在发射体上，降低了阴极加热效率，这些问题在将来的阴极设计中都应纳入考虑。1.4启动电源拓扑结构的研究现状在航天电推进中，由于体积、成本和特定负载特性的限制，电源的高功率密度、高效率和快速的动态响应特性是最重要的[39-40]。特定的工业设备用的电源系统，往
【参考文献】：
期刊论文
[1]200 W光伏发电单模块DC/DC变换器设计[J]. 张威,李景,陈云鹏. 电工材料. 2020(02)
[2]推挽正激移相式双向DC-DC变换器研究[J]. 赵一佳,王鹏飞,赵一帆,王素娟,熊保良. 电气开关. 2020(02)
[3]冷启动空心阴极结构与关键特性分析[J]. 丁继,郭宁,谷增杰,唐福俊,王进. 真空与低温. 2017(04)
[4]无热子空心阴极冷启动特性研究[J]. 欧阳磊,宁中喜,夏国俊,于达仁. 推进技术. 2016(06)
[5]离子发动机空心阴极失效形式分析[J]. 郭宁,江豪成,高军,聂文虎. 真空与低温. 2005(04)
[6]光点测试仪阴极脉冲电路设计[J]. 陈福朝,杨晓伟,郑姚生,李晓华. 电子器件. 2000(04)
本文编号：3334679
【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】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Sitael的热空心阴极组装(左)和HT100推力器(右)[8]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-空心阴极微推力器推力可以达到2.5mN，比冲达到2500N·s/kg，推功比达到0.07mN/W，T6空心阴极微推力器的推力可以达到6mN，比冲达到5000N·s/kg,但在高比冲下运行会出现较大的放电电压波动[27-28]。南安普敦大学Daykin等人研制的一款无热子空心阴极，如图1-4所示，发现阴极-触持间距以及气体流量对阴极击穿电压的影响最大，而触持孔的曲率半径的改变可以使击穿电压下降20%[29]，通过减小触持极孔，可将点火电压降到350V，点火时间小于50s，所需能量仅为热阴极的1/6[30]。图1-4无热子空心阴极原理图（左）及组装图（右）[29]2007年，乌克兰研制的M1.05和M5.04空心阴极在SPT-70，SPT-100霍尔推力器中进行了试验，M1.05和M5.04的使用使推力器的启动时间比原来小4个数量级，阴极的功耗、流率消耗也比原来减少了2～3倍[31]。V.Vekselman等人发现，无热子空心阴极点火启动过程分为三个阶段：击穿、加热和保持[32]。LevD等人对无热子空心阴极进行了1500小时的磨损测试，在点火电压不超过400V的情况下，可以冷启动并且过程可重复，后在3500次冷点火试验中，10秒内点火，成功率100%[33]。而MargaretM等人采用爆破式和大流量点火结合的方法可用于无热子阴极点火[26]。同样，哈尔滨工业大学通过采用六硼化镧发射体结合大流量供气，实现了毫秒级快速启动及发射体低烧蚀控制[34]，并开展了一万次的启动验证，期间放电伏安特性稳定满足工程应用需求[35]，而二次电子发射和热扩散是影响无热子空心阴极启动的重要因素,另外，哈尔滨工业大学发现冷启动过程可分为未点着过程，过渡过程和稳定点着过程，稳定点火过程又分成击穿和自持两个阶段[2]。美国NASA曾开展3550次的点火测试，发现发射体出现?
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-化[36]。兰州物理研究所丁继等人总结了阴极弧光放电的有利因素[25]：给阴极提供大流量可产生高气压，使点火电压降低，可促进阴极进入弧光放电。另外，更高的点火电压、更大的点火电流以及更小的输出电阻都能促进弧光放电建立。哈尔滨工业大学进行了10000次无热子空心阴极点火[34]，如图1-5所示，发现阴极孔-板入口处发生局部熔化，后通过模拟表明是离子轰击引起了孔板和发射体的倒角，孔板上的热沉积导致孔板的过热和熔化。另外，阴极点火时的溅射腐蚀会导致阴极失效，而减小放电电流，增加工质流率可以降低溅射腐蚀速率[37-38]。图1-5无热子空心阴极的启动特性[34]]无热子空心阴极启动时不需要加热丝进行预热，在一定程度上能够减少能量的消耗，并且比热阴极结构更简单，在一定程度上有助于阴极本身重量的减少、体积的优化、可靠性的提高。无加热点火机制可以降低点火过程中的功率需求、消除对加热器电源的需求、将推进系统的准备时间缩短到几十秒、延长阴极寿命[3]。然而，无热子空心阴极也面临一些缺陷，比如，启动时需要高压击穿，对电源的绝缘材料要求较高，启动时加热没有集中在发射体上，降低了阴极加热效率，这些问题在将来的阴极设计中都应纳入考虑。1.4启动电源拓扑结构的研究现状在航天电推进中，由于体积、成本和特定负载特性的限制，电源的高功率密度、高效率和快速的动态响应特性是最重要的[39-40]。特定的工业设备用的电源系统，往
【参考文献】：
期刊论文
[1]200 W光伏发电单模块DC/DC变换器设计[J]. 张威,李景,陈云鹏. 电工材料. 2020(02)
[2]推挽正激移相式双向DC-DC变换器研究[J]. 赵一佳,王鹏飞,赵一帆,王素娟,熊保良. 电气开关. 2020(02)
[3]冷启动空心阴极结构与关键特性分析[J]. 丁继,郭宁,谷增杰,唐福俊,王进. 真空与低温. 2017(04)
[4]无热子空心阴极冷启动特性研究[J]. 欧阳磊,宁中喜,夏国俊,于达仁. 推进技术. 2016(06)
[5]离子发动机空心阴极失效形式分析[J]. 郭宁,江豪成,高军,聂文虎. 真空与低温. 2005(04)
[6]光点测试仪阴极脉冲电路设计[J]. 陈福朝,杨晓伟,郑姚生,李晓华. 电子器件. 2000(04)
本文编号：3334679
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