立方星的快速發(fā)展和對(duì)任務(wù)多元化的需求對(duì)于微推進(jìn)提出了新的需求。微陰極電弧推力器使用固體推進(jìn)劑,通過功率處理單元（PPU）在推力器兩端產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百伏的瞬態(tài)高壓,在導(dǎo)電薄膜的作用下引發(fā)電弧,電離并加速陰極工質(zhì),具有高比沖、低功率的工作特性,且無需使用儲(chǔ)罐,質(zhì)量體積較小,適合作為立方星衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)完成軌道保持、編隊(duì)飛行等空間任務(wù),具有很好的發(fā)展前景。本文首先介紹了微陰極電弧推力器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)條件,以及推力器等離子體參數(shù)測(cè)量裝置的工作原理,設(shè)計(jì)并加工了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性較高的推力器樣機(jī)。同時(shí)設(shè)計(jì)了基于TOF法測(cè)量原理的離子速度測(cè)量裝置、基于探針的離子電流測(cè)量裝置以及基于CCD高速相機(jī)的陰極斑點(diǎn)旋轉(zhuǎn)速度的測(cè)量裝置。另外,介紹了試驗(yàn)的真空環(huán)境,及各項(xiàng)設(shè)備,具備了試驗(yàn)條件,為下一步對(duì)推力器的優(yōu)化提供了保障。其次,研究了推力器設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化,影響推力器性能的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括磁場(chǎng)環(huán)境、陰極與陽極的放電距離、陽極材料、以及導(dǎo)電薄膜等幾個(gè)方面,測(cè)試了不同放電距離下,推力器各項(xiàng)參數(shù)性能的影響規(guī)律,使用具有燒蝕特性的黃銅材料作為陽極的情況下,推力器的離子電流與離子速度的變化,最后,研究導(dǎo)電薄膜的制備工藝,探究如何... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

000年至2018年立方星的發(fā)射數(shù)量[37]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文2我國立方星的研制也在如火如荼的展開，已有多所高校和研究機(jī)構(gòu)發(fā)射了自己研制的立方星，圖1-2是哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的紫丁香2號(hào)衛(wèi)星。目前，我國大部分微納衛(wèi)星并沒有推進(jìn)系統(tǒng)，少數(shù)衛(wèi)星如神七伴星等采用冷氣推進(jìn)，其余均采用飛輪進(jìn)行姿態(tài)控制。隨著立方星的發(fā)展，對(duì)于姿態(tài)調(diào)整、位置保持等任務(wù)提出了更高的要求。對(duì)微納衛(wèi)星的推進(jìn)需求日益增大，傳統(tǒng)推進(jìn)方式已不能滿足要求。迫切的需要一種符合立方星特點(diǎn)和要求的新型微推進(jìn)系統(tǒng)。圖1-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的紫丁香2號(hào)納衛(wèi)星[37]因?yàn)榱⒎叫求w積小，質(zhì)量輕的特點(diǎn)，作為立方星的微推進(jìn)系統(tǒng)必須要考慮諸多方面的約束。首先，推進(jìn)系統(tǒng)必須輸出微牛范圍內(nèi)的低水平推力，并能夠在較低的功率水平下運(yùn)行。其次，推進(jìn)系統(tǒng)必須與立方星10×10×10厘米的外形尺寸相匹配，凈質(zhì)量要小于500克。第三，根據(jù)立方星設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)3.1.3[36]要求，不允許使用煙火，這便將固體化學(xué)推進(jìn)排除在外。最后，和所有航天系統(tǒng)一樣，立方星的微推進(jìn)系統(tǒng)必須高度可靠。鑒于立方星的微推進(jìn)的諸多要求，傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)已經(jīng)難以滿足。冷氣推進(jìn)可以為立方星提供20m/s左右的速度增量，但受體積和較小比沖的限制，無法提供更多的速度增量。小型的電力推進(jìn)系統(tǒng)，具有更高的比沖和更長的壽命，并且能夠更好地控制推力，可以更好的滿足立方體衛(wèi)星的微推進(jìn)需求。其中，微陰極電弧推力器的結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，使用固體推進(jìn)劑，通過功率處理單元(PPU)在推力器兩端產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百伏的瞬態(tài)高壓，在導(dǎo)電薄膜的作用下引發(fā)電弧，電弧燒蝕并電離陰極金屬，金屬離子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的共同作用下加速噴出，產(chǎn)生推力。微陰極電弧推力器具有高比沖、低功率的工作特性，且無需使用儲(chǔ)罐，質(zhì)量體積較小，適合作為立方星衛(wèi)星推進(jìn)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文3圖1-3微陰極電弧推力器結(jié)構(gòu)和工作原理圖1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及分析目前，國內(nèi)外的專家和學(xué)者根據(jù)立方星的特點(diǎn)和要求研究了包括太陽帆、冷氣推進(jìn)和電推進(jìn)等多種微推進(jìn)系統(tǒng)。其中，微陰極電弧推力器因其采用固體推進(jìn)劑的特點(diǎn)和脈沖工作的特點(diǎn)，具有小質(zhì)量和高比沖的優(yōu)勢(shì)，下面將具體介紹立方星微推進(jìn)系統(tǒng)和微陰極電弧推力器的研究現(xiàn)狀。1.2.1立方星微推進(jìn)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀目前適用于立方星的微推進(jìn)主要有太陽帆、冷氣推進(jìn)和電推進(jìn)等，通過各自的工作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)功能。太陽帆利用來自太陽發(fā)射的光子的動(dòng)量來為航天器提供推進(jìn)力。雖然光子動(dòng)量很小，但如果風(fēng)帆足夠大，則可以獲得足夠的速度增量。NanoSail-D2是NASA研制的一顆3U的立方星。該衛(wèi)星是第一顆搭載了繞地球軌道運(yùn)行太陽帆的立方星，也是第二顆在太空中部署太陽帆的衛(wèi)星。但由于軌道較低，衛(wèi)星所搭載的太陽帆未能產(chǎn)生預(yù)期的推力[38]。圖1-4為在LightSail-ACubeSat上成功部署太陽帆。冷氣推進(jìn)的定義為僅使用儲(chǔ)存焓通過噴嘴加速氣體，而沒有任何燃燒，加熱或其他增加能量的機(jī)制[40]。推進(jìn)劑進(jìn)料由加壓罐提供的壓差或在推進(jìn)劑罐和噴嘴之間的加壓裝置實(shí)現(xiàn)。唯一需要的動(dòng)力是控制閥門并提供較低的熱量以使工質(zhì)在通過噴嘴排出之前保持正常工作時(shí)所需溫度。由于具有低功率和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特性，冷氣系統(tǒng)已經(jīng)多次進(jìn)行飛行試驗(yàn)，與其它類型相比，冷氣推進(jìn)的推力較大，但是比沖明顯更低，因而在攜帶同等質(zhì)量推進(jìn)劑的情況下可以提供的速度增量更少，圖1-5為VACCO公司設(shè)計(jì)并制造的一種有五個(gè)噴嘴的冷


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