微阴极电弧推力器数值模拟及实验研究
发布时间：2022-02-24 15:55
随着航天技术的发展,电推进（Electric Propulsion,EP）技术在太空探索中发挥越来越重要的作用,微阴极电弧推力器（Micro-Cathode Arc Thruster,μ-CAT）是一种新型的脉冲放电推力器,由推力器放电腔室、外加磁路装置和脉冲高压电源组成。其利用电源加在放电腔室阴阳极之间的脉冲高压击穿电极,发生电弧放电现象,不断烧蚀并击穿阴极金属材料产生等离子体,在磁路装置产生的磁场作用下加速喷出,产生推力。μ-CAT具有质量和体积小、比冲高、加工简单、不需携带额外工质等特点,便于实现批量生产和模块化组装,可用于航天器轨道变迁、误差补偿、深空探测等,在微纳卫星中有广泛应用。本文总结归纳了国内外μ-CAT的发展现状,详细分析了μ-CAT的工作原理,并对同轴型微阴极电弧推力器进行了数值模拟及实验研究。首先使用等离子体粒子模拟（Particle in Cell,PIC）的算法编写了羽流模拟程序,在保证重要物理参数模拟结果正确前提下,利用缩比算法和运动转换公式等缩短了程序的计算时长,加速收敛。程序对给定工况下的μ-CAT的等离子体羽流进行了模拟计算,得到了计算区域的粒子密度分...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 电推进技术概述
1.3 微阴极电弧推力器发展现状
1.3.1 μ-CAT实验研究发展现状
1.3.2 μ-CAT数值模拟发展现状
1.4 微阴极电弧推力器工作原理
1.5 本文的研究内容
2 μ-CAT的 PIC计算方法
2.1 μ-CAT数值模拟的基本流程
2.2 泊松方程的求解
2.3 电磁线圈磁场求解
2.4 粒子的运动
2.5 粒子电荷的权重分配
2.6 收敛条件
2.7 μ-CAT计算模型及缩比方法
2.7.1 μ-CAT计算模型
2.7.2 PIC计算稳定性条件
2.7.3 网格划分及缩比算法
2.8 本章小结
3 μ-CAT数值模拟结果
3.1 初始条件模拟结果
3.1.1 电磁线圈模拟结果
3.1.2 等离子体羽流模拟结果
3.2 电磁线圈位置影响
3.3 电磁线圈电流大小影响
3.4 本章小结
4 μ-CAT实验平台的搭建
4.1 μ-CAT放电腔室材料与结构
4.1.1 μ-CAT放电腔室材料
4.1.2 μ-CAT放电腔室结构
4.2 电磁线圈材料与结构
4.3 实验平台设计
4.3.1 真空舱体设计
4.3.2 实验测试装置
4.4 本章小结
5 μ-CAT放电性能研究
5.1 μ-CAT放电点火现象
5.2 阴极烧蚀
5.3 绝缘陶瓷侵蚀
5.4 μ-CAT伏安特性
5.5 本章小结
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 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】：
期刊论文
[1]影响环形微阴极电弧推力器寿命的因素研究[J]. 田雷超,李林,杭观荣,康小录. 宇航学报. 2019(12)
[2]空间电推进技术应用现状与发展趋势[J]. 康小录,张岩. 上海航天. 2019(06)
[3]微阴极电弧推力器工作性能影响因素研究[J]. 耿金越,秦宇,龙军,刘旭辉,沈岩. 推进技术. 2020(01)
[4]中国电推进技术发展及展望[J]. 于达仁,乔磊,蒋文嘉,刘辉. 推进技术. 2020(01)
[5]离子推力器应用前景展望研究[J]. 伍赛特. 能源研究与管理. 2019(01)
[6]中国微纳卫星产业发展态势分析[J]. 满璇. 卫星应用. 2019(02)
[7]微阴极电弧推力器放电特性研究[J]. 周思齐,耿金越,夏广庆,王鹏. 真空科学与技术学报. 2019(01)
[8]微小卫星标准化现状的分析及思考[J]. 王鑫,张妍,尹玉明,尹佳琪. 中国航天. 2018(12)
[9]微阴极电弧推力器磁路设计[J]. 耿金越,周思齐,夏广庆,陈君,沈岩. 中国空间科学技术. 2018(05)
[10]微纳卫星产业发展探讨[J]. 闫骁绢,张锐,谢祥华,余勇. 航天器工程. 2018(04)
硕士论文
[1]微弧阴极放电推力器系统设计及性能测试[D]. 王鹏.大连理工大学 2017
[2]霍尔推力器通道壁面分割放电特性研究[D]. 曹安宁.大连海事大学 2016
本文编号：3643047
【文章来源】：大连理工大学辽宁省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 电推进技术概述
1.3 微阴极电弧推力器发展现状
1.3.1 μ-CAT实验研究发展现状
1.3.2 μ-CAT数值模拟发展现状
1.4 微阴极电弧推力器工作原理
1.5 本文的研究内容
2 μ-CAT的 PIC计算方法
2.1 μ-CAT数值模拟的基本流程
2.2 泊松方程的求解
2.3 电磁线圈磁场求解
2.4 粒子的运动
2.5 粒子电荷的权重分配
2.6 收敛条件
2.7 μ-CAT计算模型及缩比方法
2.7.1 μ-CAT计算模型
2.7.2 PIC计算稳定性条件
2.7.3 网格划分及缩比算法
2.8 本章小结
3 μ-CAT数值模拟结果
3.1 初始条件模拟结果
3.1.1 电磁线圈模拟结果
3.1.2 等离子体羽流模拟结果
3.2 电磁线圈位置影响
3.3 电磁线圈电流大小影响
3.4 本章小结
4 μ-CAT实验平台的搭建
4.1 μ-CAT放电腔室材料与结构
4.1.1 μ-CAT放电腔室材料
4.1.2 μ-CAT放电腔室结构
4.2 电磁线圈材料与结构
4.3 实验平台设计
4.3.1 真空舱体设计
4.3.2 实验测试装置
4.4 本章小结
5 μ-CAT放电性能研究
5.1 μ-CAT放电点火现象
5.2 阴极烧蚀
5.3 绝缘陶瓷侵蚀
5.4 μ-CAT伏安特性
5.5 本章小结
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 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】：
期刊论文
[1]影响环形微阴极电弧推力器寿命的因素研究[J]. 田雷超,李林,杭观荣,康小录. 宇航学报. 2019(12)
[2]空间电推进技术应用现状与发展趋势[J]. 康小录,张岩. 上海航天. 2019(06)
[3]微阴极电弧推力器工作性能影响因素研究[J]. 耿金越,秦宇,龙军,刘旭辉,沈岩. 推进技术. 2020(01)
[4]中国电推进技术发展及展望[J]. 于达仁,乔磊,蒋文嘉,刘辉. 推进技术. 2020(01)
[5]离子推力器应用前景展望研究[J]. 伍赛特. 能源研究与管理. 2019(01)
[6]中国微纳卫星产业发展态势分析[J]. 满璇. 卫星应用. 2019(02)
[7]微阴极电弧推力器放电特性研究[J]. 周思齐,耿金越,夏广庆,王鹏. 真空科学与技术学报. 2019(01)
[8]微小卫星标准化现状的分析及思考[J]. 王鑫,张妍,尹玉明,尹佳琪. 中国航天. 2018(12)
[9]微阴极电弧推力器磁路设计[J]. 耿金越,周思齐,夏广庆,陈君,沈岩. 中国空间科学技术. 2018(05)
[10]微纳卫星产业发展探讨[J]. 闫骁绢,张锐,谢祥华,余勇. 航天器工程. 2018(04)
硕士论文
[1]微弧阴极放电推力器系统设计及性能测试[D]. 王鹏.大连理工大学 2017
[2]霍尔推力器通道壁面分割放电特性研究[D]. 曹安宁.大连海事大学 2016
本文编号：3643047
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