电推力器羽流效应及防护结构研究

发布时间：2017-09-29 09:18

  本文关键词：电推力器羽流效应及防护结构研究

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【摘要】：鉴于电推力器在应用的过程中羽流对航天器会造成一定的污染的问题,本文对离子推力器及霍尔推力器羽流安全性问题进行了系统的研究。羽流污染评估的基础为羽流的模拟,本文采用混合PIC的方法处理等离子体的运动问题,考虑羽流区原子与离子的电荷交换碰撞并采用MCC方法进行处理。通过对离子推力器及霍尔推力器羽流出口处离子密度分布的探究,得到合适的边界条件,并与实验结果进行对比分析。考虑空间环境下羽流的等离子体参数分布,与目前已报道的其他在轨预测结果进行对比分析,进而对模型进行验证。羽流区电荷交换碰撞导致的返流离子会对航天器表面造成溅射腐蚀、热量沉积以及力(矩)干扰等问题。以模拟得到的空间等离子体参数分布为条件,建立评估电推力器羽流返流离子造成的上述三种效应的计算模型。随后,以典型的航天器模型为例进行羽流污染评估,并将结果与文献中的评估结果进行对比分析,从而验证评估模型的合理性。除此之外,本文给出了羽流返流离子对航天器表面造成的充放电效应模型,并给出上述典型航天器模型下表面电位的变化。基于上述羽流模型及效应评估模型,根据电推力器在航天器中承担的不同推进任务,对两种安装位置下的羽流污染情况进行评估。对比主推进任务下离子推力器、霍尔推力器及磁聚焦霍尔推力器在对航天器的影响方面的不同。基于磁聚焦霍尔推力器的羽流发散角相对较小,对位置保持任务下的电推力器的一种安装方式进行优化并评估优化后的羽流污染情况。模拟结果表明,相同安装位置下离子推力器及磁聚焦推力器对航天器的污染程度较小。同时,磁聚焦推力器的应用,不仅能够减小推力器安装角度进而减小推力器损失,而且能减小羽流对太阳能电池阵的影响。电推力器产生的羽流等离子体环境必然会对航天器造成一些特殊的影响,某些情况下需要对一些敏感的设备进行防护。太阳能电池阵表面为高透光玻璃盖片,受到溅射腐蚀、热量沉积等影响会减小其输入功率。本文最后根据电推力器的两种安装方式,提出相应的防护方案。并通过对防护后的污染情况进行评估,分析不同防护结构下的防护效果以及相同防护结构下针对不同电推力器羽流的防护效果,为电推力器羽流的防护提供一定的参考。
【关键词】：羽流安全性 霍尔推力器 离子推力器 羽流模拟 羽流防护
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V439.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 课题的来源及研究的目的和意义9-12
• 1.1.1 电推进原理简介9-10
• 1.1.2 羽流安全性相关问题概述10-11
• 1.1.3 课题研究的目的及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状及分析12-18
• 1.2.1 霍尔/离子推力器羽流实验测量及模拟研究现状12-14
• 1.2.2 羽流污染研究现状14-17
• 1.2.3 羽流防护研究现状17
• 1.2.4 国内外研究现状简析17-18
• 1.3 本文的主要研究内容及章节安排18-20
• 第二章 电推力器羽流模型的建立20-40
• 2.1 引言20
• 2.2 羽流仿真模型20-26
• 2.2.1 电势求解模型20-22
• 2.2.2 粒子碰撞模型22-23
• 2.2.3 推力器出口边界条件23-26
• 2.3 推力器输入参数以及模拟条件的研究26-34
• 2.3.1 LIPS200推力器输入条件的研究26-31
• 2.3.2 SPT100推力器输入条件的研究31-34
• 2.4 空间环境下电推力器羽流参数分布研究34-39
• 2.5 本章小结39-40
• 第三章 电推力器羽流效应评估模型的研究40-59
• 3.1 引言40
• 3.2 羽流对帆板产生的羽流效应研究40-47
• 3.2.1 力（矩）效应研究40-43
• 3.2.2 溅射效应研究43-46
• 3.2.3 热效应研究46-47
• 3.3 典型航天器模型下羽流效应的模拟及分析47-55
• 3.4 航天器表面充放电效应的研究55-58
• 3.5 本章小结58-59
• 第四章 电推力器在航天器上的布局以及羽流污染分析59-80
• 4.1 引言59
• 4.2 主推进任务下不同电推力器的污染研究59-67
• 4.2.1 航天器几何模型及网格绘制60-61
• 4.2.2 边界条件及推力器输入参数的确定61-62
• 4.2.3 不同电推力器羽流等离子体空间分布分析62-65
• 4.2.4 不同发散角下羽流效应分析65-67
• 4.3 位置保持及姿态调整任务下推力器的布置研究67-78
• 4.3.1 SPT100推力器羽流效应研究68-72
• 4.3.2 磁聚焦霍尔推力器羽流效应研究72-74
• 4.3.3 霍尔推力器布局的优化74-78
• 4.4 本章小结78-80
• 第五章 电推力器羽流防护的设计及仿真研究80-95
• 5.1 引言80
• 5.2 推力器位于航天器表面中心处羽流防护结构的研究80-87
• 5.2.1 防护结构的设计及网格绘制80-81
• 5.2.2 边界条件及推力器输入参数的确定81-82
• 5.2.3 羽流等离子体空间分布分析82-84
• 5.2.4 羽流效应分析84-87
• 5.3 推力器位于航天器边缘处羽流防护结构的研究87-94
• 5.3.1 防护结构的设计及网格绘制87-88
• 5.3.2 边界条件及推力器输入参数的确定88-89
• 5.3.3 羽流等离子体空间分布分析89-90
• 5.3.4 羽流效应分析90-94
• 5.4 本章小结94-95
• 结论95-97
• 参考文献97-103
• 攻读学位期间发表的学术成果103-105
• 致谢105-106
• 个人简历106

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本文编号：941221