隨著我國載人航天事業(yè)的發(fā)展,將載人空間站長期運(yùn)行產(chǎn)生的大量廢棄物難題與空間站需要姿軌控的現(xiàn)實需求相結(jié)合,極具研究意義。近年來,螺旋波等離子體推力器受到廣泛關(guān)注并成為空間推進(jìn)領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn),具有長壽命、高效率等特點(diǎn)。因此,本文針對空間站廢棄物處理后的幾種氣體成分(H_2、CO_2和CH_4),將其作為螺旋波等離子體推力器的推進(jìn)工質(zhì),采用數(shù)值模擬與實驗研究相結(jié)合的方法對復(fù)雜工質(zhì)螺旋波等離子體推力器開展研究,為面向載人空間站應(yīng)用的復(fù)雜工質(zhì)推力器技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲備。本文具體研究內(nèi)容如下:本文論述了傳統(tǒng)電推進(jìn)在使用空間站廢棄物作為推進(jìn)工質(zhì)中的不足,提出并分析了螺旋波等離子體推力器以廢棄物處理后的氣體作為推進(jìn)工質(zhì)的研究方向和應(yīng)用優(yōu)勢,結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,指出了該研究方向的可行性。本文對螺旋波等離子體推力器的高效產(chǎn)生機(jī)理及等離子體加速機(jī)理進(jìn)行了理論分析,并基于COMSOL有限元仿真軟件,參照常規(guī)型工質(zhì)Ar的螺旋波等離子體放電數(shù)值模擬方法,針對載人空間站處理后的三種氣體成分H_2、CO_2和CH_4,分別將其作為推進(jìn)工質(zhì),依次開展了螺旋波放電數(shù)值模擬,分析了射頻功率、放電氣壓及外加磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化對等離子體性能的影響,并為復(fù)雜工質(zhì)螺旋波等離子體推力器的實驗研究提出了一些定性的指導(dǎo)意見。本文利用現(xiàn)有的螺旋波等離子體推力器實驗樣機(jī),分別以Ar和CO_2為推進(jìn)工質(zhì),初步開展了性能測試,利用射頻補(bǔ)償探針研究了射頻功率的變化對等離子體參數(shù)的影響。實驗研究結(jié)果表明,分別以Ar和CO_2為工質(zhì)均可實現(xiàn)可靠點(diǎn)火,但測得的電子數(shù)密度和比沖較低,推力也較小,一定條件下,兩種氣體放電過程中的電子數(shù)密度均隨射頻功率的增大而增大。通過對實驗結(jié)果分析,提出了改進(jìn)方案。等離子體密度相對較低的原因是受實驗條件所限,提供的射頻功率較小,不能給工質(zhì)氣體提供足夠的電離能量;另外,等離子體比沖太低,除了測試系統(tǒng)和計算方法的因素,現(xiàn)有實驗樣機(jī)的外加磁場位型出現(xiàn)了問題,不但不利于雙層加速效應(yīng)的形成對等離子體起到加速效果,甚至可能降低等離子體的速度阻礙其加速噴出,針對此問題,對磁路系統(tǒng)提出了改進(jìn)設(shè)計方案。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V439.2
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 研究背景與意義
    1.2 以空間站廢棄物為工質(zhì)的傳統(tǒng)電推進(jìn)
    1.3 螺旋波等離子體推力器概述
    1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.4.1 國外研究現(xiàn)狀
        1.4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
    1.5 本文的研究內(nèi)容
2 螺旋波等離子體推力器的基本理論
    2.1 螺旋波等離子體源基本特征
        2.1.1 螺旋波的色散關(guān)系和波結(jié)構(gòu)
        2.1.2 等離子體高效產(chǎn)生機(jī)理
    2.2 HPT加速機(jī)理
        2.2.1 雙層加速效應(yīng)
        2.2.2 磁噴管加速
    2.3 本章小結(jié)
3 基于復(fù)雜工質(zhì)的HPT放電過程的數(shù)值模擬
    3.1 以Ar為工質(zhì)螺旋波等離子體放電模擬
        3.1.1 射頻功率對HPT放電特性的影響
        3.1.2 放電氣壓對HPT放電特性的影響
        3.1.3 磁感應(yīng)強(qiáng)度對HPT放電特性的影響
2為工質(zhì)螺旋波等離子體放電模擬'>    3.2 以H₂為工質(zhì)螺旋波等離子體放電模擬
        3.2.1 射頻功率對HPT放電特性的影響
        3.2.2 放電氣壓對HPT放電特性的影響
        3.2.3 磁感應(yīng)強(qiáng)度對HPT放電特性的影響
2為工質(zhì)螺旋波等離子體放電模擬'>    3.3 以CO₂為工質(zhì)螺旋波等離子體放電模擬
        3.3.1 射頻功率對HPT放電特性的影響
        3.3.2 放電氣壓對HPT放電特性的影響
        3.3.3 磁感應(yīng)強(qiáng)度對HPT放電特性的影響
4為工質(zhì)螺旋波等離子體放電模擬'>    3.4 以CH₄為工質(zhì)螺旋波等離子體放電模擬
        3.4.1 射頻功率對HPT放電特性的影響
        3.4.2 放電氣壓對HPT放電特性的影響
        3.4.3 磁感應(yīng)強(qiáng)度對HPT放電特性的影響
    3.5 模擬結(jié)果分析
    3.6 本章小結(jié)
4 基于復(fù)雜工質(zhì)的HPT的實驗研究
    4.1 實驗系統(tǒng)
    4.2 HPT性能測試
        4.2.1 HPT樣機(jī)初步調(diào)試結(jié)果
        4.2.2 射頻功率對Ar放電性能的影響
2放電性能的影響'>        4.2.3 射頻功率對CO₂放電性能的影響
        4.2.4 實驗結(jié)果分析
    4.3 實驗方案改進(jìn)設(shè)計
    4.4 本章小結(jié)
5 總結(jié)與展望
    5.1 全文總結(jié)
    5.2 下一步工作展望
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況
致謝

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2865622