【摘要】：微小衛(wèi)星推進(jìn)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(jìn)器的研究主要集中在簡化推進(jìn)器結(jié)構(gòu)、減小體積和質(zhì)量、提升推進(jìn)比沖和效率等方面。然而,微小衛(wèi)星推進(jìn)器的種類繁多,不同類型的推進(jìn)器使用的推進(jìn)工質(zhì)并不相同,且有著完全不同的推力形成機(jī)制�；陔姶判屯七M(jìn)器結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn),本文對采用固體工質(zhì)的真空弧推進(jìn)器和脈沖等離子體推進(jìn)器進(jìn)行了分析和研究,并通過仿真和實(shí)驗(yàn)對各研究點(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證。真空弧推進(jìn)器和脈沖等離子體推進(jìn)器均工作在脈沖放電模式,單次放電時(shí)間在μs級(jí),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(tái)并建立了相應(yīng)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(dòng)態(tài)變化過程。分析了電路參數(shù)對電極放電的動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)和易氧化金屬導(dǎo)致觸發(fā)失效和太空中維護(hù)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(shí)現(xiàn)了低至幾百伏的可靠的真空弧觸發(fā),為真空弧推進(jìn)器的觸發(fā)提供了一種可行的方案。針對真空弧推進(jìn)器等離子體射流容易發(fā)生徑向發(fā)散導(dǎo)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(dòng)路徑從而實(shí)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(jìn)器主要利用沿面閃絡(luò)形成的大電流對絕緣工質(zhì)進(jìn)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(jìn)器的基本電極結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)器主要采用火花塞的觸發(fā)。本文在簡化推進(jìn)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(luò)觸發(fā)電壓的方法。提出了利用電位懸浮的感應(yīng)電極增大陰極三結(jié)合點(diǎn)電場強(qiáng)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(jìn)器等離子體羽流發(fā)散導(dǎo)致推進(jìn)效率低的問題,研究了利用多陽極電極結(jié)構(gòu)實(shí)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(chǔ)上提出了基于陰極“自磁場”的等離子體羽流優(yōu)化方法,驗(yàn)證了其進(jìn)一步優(yōu)化等離子體密度分布的有效性。為了驗(yàn)證本文的研究點(diǎn),搭建了微推力測試平臺(tái)。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(jìn)器的單脈沖推力效果進(jìn)行了測量。對真空弧推進(jìn)器和脈沖等離子體推進(jìn)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(jìn)參數(shù)進(jìn)行了對比分析,驗(yàn)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(jìn)特性方面的有效性。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V439
【圖文】：

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本文編號(hào)：2727445