【摘要】：微小衛(wèi)星推進器的優(yōu)化是微小衛(wèi)星發(fā)展的重要組成部分。目前微小衛(wèi)星推進器的研究主要集中在簡化推進器結(jié)構(gòu)、減小體積和質(zhì)量、提升推進比沖和效率等方面。然而,微小衛(wèi)星推進器的種類繁多,不同類型的推進器使用的推進工質(zhì)并不相同,且有著完全不同的推力形成機制�；陔姶判屯七M器結(jié)構(gòu)簡單的特點,本文對采用固體工質(zhì)的真空弧推進器和脈沖等離子體推進器進行了分析和研究,并通過仿真和實驗對各研究點進行了驗證。真空弧推進器和脈沖等離子體推進器均工作在脈沖放電模式,單次放電時間在μs級,電流幅值在100 A以上。本文搭建了基于真空脈沖放電的等離子體研究平臺并建立了相應的系統(tǒng)仿真模型,分析了脈沖放電系統(tǒng)的暫態(tài)過程和基于電極等效電路的電極擊穿動態(tài)變化過程。分析了電路參數(shù)對電極放電的動態(tài)響應特性的影響,證明了通過對電路參數(shù)的優(yōu)化可以有效增大電極放電功率,提高系統(tǒng)能量利用率。真空弧推進器的推力來源于金屬等離子體的定向傳播特性。本文研究了同軸型電極結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)對等離子體生成的影響。從陰極尖端的錐角度數(shù)和陰極材料兩方面分析了提高電極放電穩(wěn)定性和金屬等離子體推進效果的陰極結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過對電極間距、絕緣筒內(nèi)徑、噴口形狀和陽極“自磁場”的研究,得到了增大Hump電勢的峰值和利用θ箍縮提升等離子體軸向傳播密度的方法。針對“無觸發(fā)”低電壓觸發(fā)方法目前存在的低熔點和易氧化金屬導致觸發(fā)失效和太空中維護困難問題,提出一種基于碳纖維“自觸發(fā)”的低電壓觸發(fā)方法。實現(xiàn)了低至幾百伏的可靠的真空弧觸發(fā),為真空弧推進器的觸發(fā)提供了一種可行的方案。針對真空弧推進器等離子體射流容易發(fā)生徑向發(fā)散導致效率低下的問題,提出了一種基于多陽極電極結(jié)構(gòu)的長間隙真空擊穿的放電方法。分析了多陽極電極結(jié)構(gòu)的放電特性,研究了通過改變電氣放電過程中電流流動路徑從而實現(xiàn)等離子體密度軸向分布的Z箍縮特性。脈沖等離子體推進器主要利用沿面閃絡形成的大電流對絕緣工質(zhì)進行燒蝕從而生成等離子體產(chǎn)生推力。本文對同軸型脈沖等離子體推進器的基本電極結(jié)構(gòu)進行了分析,得到了工質(zhì)軸向燒蝕距離、工質(zhì)筒內(nèi)徑和工質(zhì)表面狀態(tài)對電極放電特性和等離子體生成特性的影響。常規(guī)的脈沖等離子體推進器主要采用火花塞的觸發(fā)。本文在簡化推進器結(jié)構(gòu)取消火花塞觸發(fā)的情況下,研究了降低沿面閃絡觸發(fā)電壓的方法。提出了利用電位懸浮的感應電極增大陰極三結(jié)合點電場強度和優(yōu)化電極內(nèi)部電場矢量分布的觸發(fā)方法。針對傳統(tǒng)電極脈沖等離子體推進器等離子體羽流發(fā)散導致推進效率低的問題,研究了利用多陽極電極結(jié)構(gòu)實現(xiàn)非接觸型沿面放電的方法�；诙嚓枠O電極結(jié)構(gòu)下等離子體的Z箍縮特性,研究了燒蝕型等離子體的空間密度分布。并在多陽極電極結(jié)構(gòu)的基礎上提出了基于陰極“自磁場”的等離子體羽流優(yōu)化方法,驗證了其進一步優(yōu)化等離子體密度分布的有效性。為了驗證本文的研究點,搭建了微推力測試平臺。通過沖力擺微推力測量儀和PVDF壓電薄膜微推力測量儀對兩種推進器的單脈沖推力效果進行了測量。對真空弧推進器和脈沖等離子體推進器在電極優(yōu)化前和優(yōu)化后的元沖量和推力-功率比等推進參數(shù)進行了對比分析,驗證了本文提出的優(yōu)化等離子體羽流在提升微小衛(wèi)星推進特性方面的有效性。
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V439
【圖文】：

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本文編號：2727445