霍爾推力器作為先進(jìn)的電推進(jìn)裝置,在航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用�，F(xiàn)在各種新類(lèi)型霍爾推力器不斷涌現(xiàn),對(duì)它們工作機(jī)制的研究要求能夠準(zhǔn)確測(cè)量放電過(guò)程中的等離子體參數(shù)。傳統(tǒng)的探針測(cè)量手段本身會(huì)對(duì)等離子體造成干擾、難以測(cè)量稠密等離子體區(qū)域并且不能測(cè)量中性組分,已經(jīng)不能滿足研究需求。發(fā)射光譜診斷方法從原理上可以避免探針測(cè)量的種種缺陷,但由于對(duì)推力器光輻射機(jī)理認(rèn)識(shí)不全面,導(dǎo)致測(cè)量區(qū)域被局限在放電通道外部氣體稀薄區(qū)域、測(cè)量粒子種類(lèi)少且準(zhǔn)確性較低,在推力器研究中的應(yīng)用很有限。針對(duì)霍爾推力器等離子體發(fā)射光譜診斷存在的缺陷,本文將總結(jié)和分析推力器光譜特性變化規(guī)律,從關(guān)鍵粒子的動(dòng)力學(xué)行為研究出發(fā),構(gòu)建各放電區(qū)域完善的光譜診斷模型,建立光譜診斷方法并進(jìn)行誤差評(píng)估,最終實(shí)現(xiàn)推力器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)各放電區(qū)域關(guān)鍵等離子體參數(shù)的定量準(zhǔn)確測(cè)量和工作特性分析�；魻柾屏ζ鞴ぷ鳈C(jī)制與普通的直流等離子體放電過(guò)程存在明顯的差異,因此需要對(duì)推力器光譜特性變化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)和分析,明確其光譜輻射動(dòng)力學(xué)過(guò)程的特殊性。文中分別實(shí)驗(yàn)測(cè)量譜線強(qiáng)度在放電通道內(nèi)和外部羽流區(qū)的分布,分析其在頻域上的變化規(guī)律,得到不同放電區(qū)域譜線躍遷上能級(jí)角動(dòng)量量子數(shù)和光子計(jì)數(shù)占比之間的關(guān)系,證實(shí)通道內(nèi)外的電子能量分布函數(shù)存在差異。實(shí)驗(yàn)測(cè)量譜線強(qiáng)度在放電通道軸向上的分布情況并分析其空域變化規(guī)律,結(jié)合譜線頻域特性,利用823.16 nm和828.01 nm原子譜線及484.43 nm離子譜線建立了劃分推力器放電區(qū)域的光譜方法。實(shí)驗(yàn)研究光子在放電通道內(nèi)外的傳輸特性,得到不同陽(yáng)極流量條件下來(lái)自2p_6能級(jí)的兩條譜線的分支系數(shù)比值變化規(guī)律,證實(shí)放電通道內(nèi)亞穩(wěn)態(tài)原子自吸收效應(yīng)的存在,并結(jié)合自吸收理論計(jì)算得到譜線的光學(xué)厚度。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)射光譜信號(hào)漲落現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)推力器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)譜線強(qiáng)度信號(hào)的起伏是由于發(fā)光機(jī)制的量子屬性、等離子體振蕩特性及光電轉(zhuǎn)換器件噪聲共同造成的,通過(guò)使用半導(dǎo)體制冷式CCD探測(cè)器kuro-sCMOS、對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行譜線中心波長(zhǎng)附近的插值積分處理及取均值的方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度起伏的抑制。對(duì)推力器羽流區(qū)光譜診斷常用的日冕模型及雙譜線比診斷方法進(jìn)行檢驗(yàn),模型中采用通過(guò)全相對(duì)論B樣條R矩陣算法得到的最新氙原子作用截面數(shù)據(jù)。通過(guò)譜線殘差分析和與探針結(jié)果的對(duì)比,證實(shí)日冕模型并不能準(zhǔn)確描述羽流區(qū)光輻射過(guò)程。根據(jù)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)離子的激發(fā)作用在羽流區(qū)和加速區(qū)不可忽略;結(jié)合第二章推力器光譜特性的研究結(jié)果,計(jì)算了亞穩(wěn)態(tài)原子在羽流區(qū)和加速區(qū)的產(chǎn)生和消耗機(jī)制,發(fā)現(xiàn)該類(lèi)型中性粒子同樣參與到光譜輻射過(guò)程中。在日冕模型的基礎(chǔ)上額外考慮這兩種動(dòng)力學(xué)過(guò)程,構(gòu)建了新的速率平衡方程組,發(fā)展出適用于羽流區(qū)和加速區(qū)的“多譜線比”光譜診斷方法。選擇多個(gè)譜線組進(jìn)行靈敏性分析,確認(rèn)三組原子譜線組合用于等離子體參數(shù)的計(jì)算,對(duì)模型的可靠性進(jìn)行分析,最后將光譜測(cè)量結(jié)果與探針結(jié)果以及數(shù)值模擬結(jié)果互相驗(yàn)證。針對(duì)近陽(yáng)極區(qū)和電離區(qū)的光譜量化診斷的難題,文中建立了一套完善的描述上述區(qū)域光譜輻射過(guò)程的碰撞-輻射模型。該碰撞-輻射模型包含73個(gè)氙粒子能級(jí)、主要的動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及相應(yīng)的速率平衡方程組。利用該模型對(duì)發(fā)光過(guò)程中發(fā)揮重要作用的亞穩(wěn)態(tài)原子及帕邢2p態(tài)原子的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了計(jì)算分析,獲得其產(chǎn)生、消耗的途徑和頻率信息。通過(guò)研究碰撞-輻射模型中主要激發(fā)能級(jí)的動(dòng)力學(xué)特性,發(fā)展出“多譜線比和”光譜診斷方法,通過(guò)對(duì)譜線的靈敏性分析,最終選擇10條原子譜線用于等離子體參數(shù)的計(jì)算,然后進(jìn)行模型可靠性分析。將推力器典型工況下的光譜診斷結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量的光譜信息,發(fā)現(xiàn)光譜診斷結(jié)果更為符合實(shí)際情況�；谏鲜龉庾V診斷方法,測(cè)量得到電子溫度、密度及中性原子密度等特征參數(shù)隨多種工況條件的變化規(guī)律,實(shí)現(xiàn)了對(duì)推力器放電通道內(nèi)部等離子體參數(shù)較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量,并據(jù)此分析了宏觀放電參數(shù)對(duì)推力器電離過(guò)程的影響。使用氫氣作為示蹤粒子,光譜測(cè)量結(jié)合探針及仿真手段分析地面真空模擬裝置的背景氣體返流過(guò)程對(duì)推力器工作特性的影響,發(fā)現(xiàn)背景氣體會(huì)進(jìn)入放電通道內(nèi)部并參與電離過(guò)程�；诠庾V診斷時(shí)間分辨率高的特點(diǎn),使用高速相機(jī)對(duì)推力器啟動(dòng)瞬態(tài)電離特性問(wèn)題進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火后首個(gè)脈沖周期內(nèi)電子從陰極進(jìn)入陽(yáng)極過(guò)程中的能量及密度的變化規(guī)律與輝光放電過(guò)程存在相似之處。針對(duì)霍爾推力器等離子體參數(shù)測(cè)量的難題,本文構(gòu)建了適用于霍爾推力器各放電區(qū)域的完善的光譜診斷模型和發(fā)射光譜診斷方法,并對(duì)其準(zhǔn)確性、靈敏性、穩(wěn)定性和適用范圍進(jìn)行了研究,將其應(yīng)用于推力器工作特性的研究中。這套光譜診斷方法和相關(guān)的光譜物理模型對(duì)其他種類(lèi)的電推進(jìn)裝置和氙等離子體放電過(guò)程研究同樣具有參考意義。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：V439.4
【部分圖文】：

圖 1- 7 硼原子和一價(jià)氙離子譜線在不同放電電壓條件下強(qiáng)度的對(duì)比[40]Figure 1-7 Comparison of neutral Boron andsingly-charged ion emission lines totalintegrated intensities for varying dischargevoltage圖 1- 8 硼原子和一價(jià)氙離子譜線在不同陽(yáng)極工質(zhì)流量條件下強(qiáng)度的對(duì)比[40]Figure 1-8 Comparison of neutral Boron andsingly charged Xenon ion emission lines totalintegrated intensities for varying anodepropellant flowrate

圖 1- 7 硼原子和一價(jià)氙離子譜線在不同放電電壓條件下強(qiáng)度的對(duì)比[40]Figure 1-7 Comparison of neutral Boron andsingly-charged ion emission lines totalintegrated intensities for varying dischargevoltage圖 1- 8 硼原子和一價(jià)氙離子譜線在不同陽(yáng)極工質(zhì)流量條件下強(qiáng)度的對(duì)比[40]Figure 1-8 Comparison of neutral Boron andsingly charged Xenon ion emission lines totalintegrated intensities for varying anodepropellant flowrate

圖 2- 1 霍爾推力器 HET-P70 外形和工作原理圖Figure 2-1 Diagram of HET-P70 and thruster working mechanism從推力器的工作機(jī)制來(lái)說(shuō)，最主要的物理過(guò)程是電子以碰撞形式將原子電離，在這一過(guò)程中除離子外還會(huì)產(chǎn)生其他的高能態(tài)粒子。高能態(tài)粒子命很短，會(huì)自發(fā)向低能態(tài)躍遷并輻射出不同頻率的光子，這就是推力器

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2813223