低电流氪工质空心阴极放电特性研究
发布时间：2021-11-04 10:51
商业航天的迅速发展,对低成本低功率电推进系统的需求日趋强烈,但作为目前电推进广泛应用的氙气使其成本居高不下。氪气与氙气的性能相近,价格低廉,目前成功已运用到低功率霍尔推力器上,但性能下降较大。空心作为电推进系统重要的组件,放电性能对整个电推进系统有着显著影响。为此本文对低电流氪工质空心阴极放电特性进行了研究,并进行了放电优化。对比了空心阴极采用氙气和氪气放电性能差异,发现氪气工作时,放电电压和电子温度更高、气压更低,低电流下孔板温度更低,稳定工作范围窄。构建了COMSOL仿真模型,通过仿真模型发现,放电电压更高是发射体鞘层电压、孔区电势降和羽流区电势降均偏大的结果。研究了低电流氪工质空心阴极放电振荡特性。氪气与氙气放电时电流振荡均存在双峰,氪气振荡更小,但振荡中心频率更高。增加电流,阳极电流低频和高频振幅均增加,导致振荡加剧。随着阳极电流的增大和与阳极间距的缩小,电流振荡与等离子体密度振荡的相关性逐渐增强。增开触持极时,阳极电流和电压振荡加剧来自于低频振荡的加剧。触持极电流大小对阳极振荡的影响程度与阳极电流大小相关,在低阳极电流下,触持极电流越小,对阳极振荡的影响越小;在高阳极电流下则...
【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】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
NASA的商业化镀膜机小型
触持极电流超过2.5A时，阴极保持点模式的最低流量为2sccm；电流继续增大到4A，最低流量减小到1sccm；孔径较小的阴极表现较差，相同工况下，阴极稳定工作的范围更窄。对比来看，阴极节流孔存在一个最优值[21]。Daniela通过建立仿真模型，改变节流孔径和孔长发现：孔径增加，阴极功耗下降，而孔长对阴极的功耗影响较小[22]。2008年IraKatz团队发现，当电压作用于节流孔长圆柱体通道两端，在没有等离子体的情况下，通道下游出口的电势随着孔长每增加一个数量级而下降一个数量级，由此说明孔深比越大，阴极点火越困难[23]。图1-2密西根大学变孔深比实验[17]图1-3圆柱通道电势降随孔长变化[23]为满足PlaS-40霍尔推力器的工作需求，俄罗斯火炬设计局设计了K-1H阴极，其最大特色是发射体是由LaB6制成的多腔结构，最小流量可降至0.5sccm，能在1-2A电流下稳定放电，测试中阴极的悬浮电势随着电流的增长而逐渐下降，与传统阴极的放电特性无明显差异[24]。之后基于4.5A六硼化镧阴极KH-3进行了低电流阴极改进，用于适配SPT-50霍尔推力器，发射体改进为钡钨氧化物，1~3号是改变发射体的制造工艺，4~5号是改变发射体中盐的比例，增强抗中毒
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3比（孔长/孔径）放电特性研究。发现：增加孔深比，阴极自持电压和最低自持功率均会略有增加，但最小放电流量会减小；供气流量与点模式的实验结果为：孔径越大实现点模式的供气流量也越大，成正比，孔深越大需要供的供气流量就越小，成反比。在孔深比为6时，该阴极可在1sccm氙气流量，引出电流1A下工作，自持功耗为22W[17-19]。实验中他们还发现封闭式触持极比开放式触持极耗功低5-15%，说明封闭式触持极能够减小阴极功率。测温结果显示：在距节流孔12mm的发射体区温度变化不大，而在12mm之后温度快速下降，据此认为在发射体区热辐射和热传导基本相平衡，而在发射体以外热损耗大幅增加[17]。从中可以看出热传导是阴极热量传递的主要形式，因此在选用阴极的制作材料时，导热系数应尽可能小，阴极管也应尽量薄[19][20]。JPL实验室的John等人基于T6中和器阴极，测试了变节流孔径下2款阴极的性能，这2款阴极的节流孔径分别减小为原型的62.5%和50%。孔径较大的阴极在当触持极电流超过2.5A时，阴极保持点模式的最低流量为2sccm；电流继续增大到4A，最低流量减小到1sccm；孔径较小的阴极表现较差，相同工况下，阴极稳定工作的范围更窄。对比来看，阴极节流孔存在一个最优值[21]。Daniela通过建立仿真模型，改变节流孔径和孔长发现：孔径增加，阴极功耗下降，而孔长对阴极的功耗影响较小[22]。2008年IraKatz团队发现，当电压作用于节流孔长圆柱体通道两端，在没有等离子体的情况下，通道下游出口的电势随着孔长每增加一个数量级而下降一个数量级，由此说明孔深比越大，阴极点火越困难[23]。图1-2密西根大学变孔深比实验[17]图1-3圆柱通道电势降随孔长变化[23]为满足PlaS-40霍尔推力器的工作需求，俄罗斯火?
【参考文献】：
期刊论文
[1]国内外商业航天发展态势解析及前景展望(下)[J]. 都丹,丰旭,沙鑫,葛姗姗. 中国航天. 2019(12)
[2]节流孔板位置对空心阴极特性的影响研究[J]. 张海广,宁中喜,朱悉铭,江滨浩,于达仁. 推进技术. 2020(01)
[3]电推进空心阴极热子的寿命评估研究[J]. 李文博,胡俊锋,孙昊,宁中喜,魏立秋,于达仁. 推进技术. 2017(09)
[4]小卫星领域应用电推进技术的评述[J]. 张天平,周昊澄,孙小菁,王小永. 真空与低温. 2014(04)
[5]80mN霍尔推力器空心阴极寿命试验[J]. 乔彩霞,张岩,康小录,余水淋. 火箭推进. 2014(04)
[6]用Xe和Kr作为霍尔电推进工质的比较[J]. 张乾鹏,康小录. 推进技术. 2011(06)
[7]电推进系统发展概况与趋势[J]. 黄良甫. 真空与低温. 2005(01)
博士论文
[1]氪工质霍尔推力器等离子体束聚焦理论与实验研究[D]. 宁中喜.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]自持空心阴极关键尺寸影响与设计准则研究[D]. 安秉健.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3475580
【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】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
NASA的商业化镀膜机小型
触持极电流超过2.5A时，阴极保持点模式的最低流量为2sccm；电流继续增大到4A，最低流量减小到1sccm；孔径较小的阴极表现较差，相同工况下，阴极稳定工作的范围更窄。对比来看，阴极节流孔存在一个最优值[21]。Daniela通过建立仿真模型，改变节流孔径和孔长发现：孔径增加，阴极功耗下降，而孔长对阴极的功耗影响较小[22]。2008年IraKatz团队发现，当电压作用于节流孔长圆柱体通道两端，在没有等离子体的情况下，通道下游出口的电势随着孔长每增加一个数量级而下降一个数量级，由此说明孔深比越大，阴极点火越困难[23]。图1-2密西根大学变孔深比实验[17]图1-3圆柱通道电势降随孔长变化[23]为满足PlaS-40霍尔推力器的工作需求，俄罗斯火炬设计局设计了K-1H阴极，其最大特色是发射体是由LaB6制成的多腔结构，最小流量可降至0.5sccm，能在1-2A电流下稳定放电，测试中阴极的悬浮电势随着电流的增长而逐渐下降，与传统阴极的放电特性无明显差异[24]。之后基于4.5A六硼化镧阴极KH-3进行了低电流阴极改进，用于适配SPT-50霍尔推力器，发射体改进为钡钨氧化物，1~3号是改变发射体的制造工艺，4~5号是改变发射体中盐的比例，增强抗中毒
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3比（孔长/孔径）放电特性研究。发现：增加孔深比，阴极自持电压和最低自持功率均会略有增加，但最小放电流量会减小；供气流量与点模式的实验结果为：孔径越大实现点模式的供气流量也越大，成正比，孔深越大需要供的供气流量就越小，成反比。在孔深比为6时，该阴极可在1sccm氙气流量，引出电流1A下工作，自持功耗为22W[17-19]。实验中他们还发现封闭式触持极比开放式触持极耗功低5-15%，说明封闭式触持极能够减小阴极功率。测温结果显示：在距节流孔12mm的发射体区温度变化不大，而在12mm之后温度快速下降，据此认为在发射体区热辐射和热传导基本相平衡，而在发射体以外热损耗大幅增加[17]。从中可以看出热传导是阴极热量传递的主要形式，因此在选用阴极的制作材料时，导热系数应尽可能小，阴极管也应尽量薄[19][20]。JPL实验室的John等人基于T6中和器阴极，测试了变节流孔径下2款阴极的性能，这2款阴极的节流孔径分别减小为原型的62.5%和50%。孔径较大的阴极在当触持极电流超过2.5A时，阴极保持点模式的最低流量为2sccm；电流继续增大到4A，最低流量减小到1sccm；孔径较小的阴极表现较差，相同工况下，阴极稳定工作的范围更窄。对比来看，阴极节流孔存在一个最优值[21]。Daniela通过建立仿真模型，改变节流孔径和孔长发现：孔径增加，阴极功耗下降，而孔长对阴极的功耗影响较小[22]。2008年IraKatz团队发现，当电压作用于节流孔长圆柱体通道两端，在没有等离子体的情况下，通道下游出口的电势随着孔长每增加一个数量级而下降一个数量级，由此说明孔深比越大，阴极点火越困难[23]。图1-2密西根大学变孔深比实验[17]图1-3圆柱通道电势降随孔长变化[23]为满足PlaS-40霍尔推力器的工作需求，俄罗斯火?
【参考文献】：
期刊论文
[1]国内外商业航天发展态势解析及前景展望(下)[J]. 都丹,丰旭,沙鑫,葛姗姗. 中国航天. 2019(12)
[2]节流孔板位置对空心阴极特性的影响研究[J]. 张海广,宁中喜,朱悉铭,江滨浩,于达仁. 推进技术. 2020(01)
[3]电推进空心阴极热子的寿命评估研究[J]. 李文博,胡俊锋,孙昊,宁中喜,魏立秋,于达仁. 推进技术. 2017(09)
[4]小卫星领域应用电推进技术的评述[J]. 张天平,周昊澄,孙小菁,王小永. 真空与低温. 2014(04)
[5]80mN霍尔推力器空心阴极寿命试验[J]. 乔彩霞,张岩,康小录,余水淋. 火箭推进. 2014(04)
[6]用Xe和Kr作为霍尔电推进工质的比较[J]. 张乾鹏,康小录. 推进技术. 2011(06)
[7]电推进系统发展概况与趋势[J]. 黄良甫. 真空与低温. 2005(01)
博士论文
[1]氪工质霍尔推力器等离子体束聚焦理论与实验研究[D]. 宁中喜.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]自持空心阴极关键尺寸影响与设计准则研究[D]. 安秉健.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3475580
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