空心陰極作為空間電推力器的心臟,對(duì)推力器以及航天器的性能影響極大,空心陰極既可以當(dāng)作電子源中和器,也可以用來做微型推力器。傳統(tǒng)的空心陰極點(diǎn)火通常需要較多電源分開供電,造成供電電源復(fù)雜龐大,空心陰極在啟動(dòng)時(shí)存在點(diǎn)火電壓、電流振蕩問題也需要解決,除了從陰極本身結(jié)構(gòu)上優(yōu)化,也可以從外接電源模塊和供電策略上進(jìn)行探討。因此,本文針對(duì)以上問題,進(jìn)行了以下研究:通過研究熱啟動(dòng)空心陰極的點(diǎn)火特性,對(duì)比了陰極電源直接供電和外接功率模塊的區(qū)別,總結(jié)了熱啟動(dòng)空心陰極的供電需求和供電裝置,通過對(duì)熱啟動(dòng)空心陰極的點(diǎn)火電路選型,選用推挽電路作為陰極的點(diǎn)火模塊,后面的點(diǎn)火模塊均以該拓?fù)渥鳛榛A(chǔ),最后提出了一種熱啟動(dòng)空心陰極的供電回路設(shè)計(jì)方法,為后續(xù)章節(jié)的電源系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。針對(duì)外啟動(dòng)無熱子空心陰極進(jìn)行了啟動(dòng)電路設(shè)計(jì),提出外接點(diǎn)火模塊和觸持模塊的設(shè)計(jì)方法,研究該啟動(dòng)回路對(duì)陰極啟動(dòng)的影響,對(duì)比了電感和電容對(duì)外啟動(dòng)冷陰極的啟動(dòng)特性影響。對(duì)比了外接電源模塊和傳統(tǒng)的多電源供電的差異,如啟動(dòng)時(shí)間、電壓電流的振蕩幅值以及啟動(dòng)瞬間的尖峰脈沖。從等離子體放電的角度優(yōu)化了啟動(dòng)放電回路,提出了一種優(yōu)化后的發(fā)射體結(jié)構(gòu),通過高速相機(jī)... 

【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)】：90 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

Sitael的熱空心陰極組裝(左)和HT100推力器(右)[8]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-5-空心陰極微推力器推力可以達(dá)到2.5mN，比沖達(dá)到2500N·s/kg，推功比達(dá)到0.07mN/W，T6空心陰極微推力器的推力可以達(dá)到6mN，比沖達(dá)到5000N·s/kg,但在高比沖下運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)較大的放電電壓波動(dòng)[27-28]。南安普敦大學(xué)Daykin等人研制的一款無熱子空心陰極，如圖1-4所示，發(fā)現(xiàn)陰極-觸持間距以及氣體流量對(duì)陰極擊穿電壓的影響最大，而觸持孔的曲率半徑的改變可以使擊穿電壓下降20%[29]，通過減小觸持極孔，可將點(diǎn)火電壓降到350V，點(diǎn)火時(shí)間小于50s，所需能量?jī)H為熱陰極的1/6[30]。圖1-4無熱子空心陰極原理圖（左）及組裝圖（右）[29]2007年，烏克蘭研制的M1.05和M5.04空心陰極在SPT-70，SPT-100霍爾推力器中進(jìn)行了試驗(yàn)，M1.05和M5.04的使用使推力器的啟動(dòng)時(shí)間比原來小4個(gè)數(shù)量級(jí)，陰極的功耗、流率消耗也比原來減少了2～3倍[31]。V.Vekselman等人發(fā)現(xiàn)，無熱子空心陰極點(diǎn)火啟動(dòng)過程分為三個(gè)階段：擊穿、加熱和保持[32]。LevD等人對(duì)無熱子空心陰極進(jìn)行了1500小時(shí)的磨損測(cè)試，在點(diǎn)火電壓不超過400V的情況下，可以冷啟動(dòng)并且過程可重復(fù)，后在3500次冷點(diǎn)火試驗(yàn)中，10秒內(nèi)點(diǎn)火，成功率100%[33]。而MargaretM等人采用爆破式和大流量點(diǎn)火結(jié)合的方法可用于無熱子陰極點(diǎn)火[26]。同樣，哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過采用六硼化鑭發(fā)射體結(jié)合大流量供氣，實(shí)現(xiàn)了毫秒級(jí)快速啟動(dòng)及發(fā)射體低燒蝕控制[34]，并開展了一萬次的啟動(dòng)驗(yàn)證，期間放電伏安特性穩(wěn)定滿足工程應(yīng)用需求[35]，而二次電子發(fā)射和熱擴(kuò)散是影響無熱子空心陰極啟動(dòng)的重要因素,另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)發(fā)現(xiàn)冷啟動(dòng)過程可分為未點(diǎn)著過程，過渡過程和穩(wěn)定點(diǎn)著過程，穩(wěn)定點(diǎn)火過程又分成擊穿和自持兩個(gè)階段[2]。美國(guó)NASA曾開展3550次的點(diǎn)火測(cè)試，發(fā)現(xiàn)發(fā)射體出現(xiàn)?

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-6-化[36]。蘭州物理研究所丁繼等人總結(jié)了陰極弧光放電的有利因素[25]：給陰極提供大流量可產(chǎn)生高氣壓，使點(diǎn)火電壓降低，可促進(jìn)陰極進(jìn)入弧光放電。另外，更高的點(diǎn)火電壓、更大的點(diǎn)火電流以及更小的輸出電阻都能促進(jìn)弧光放電建立。哈爾濱工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了10000次無熱子空心陰極點(diǎn)火[34]，如圖1-5所示，發(fā)現(xiàn)陰極孔-板入口處發(fā)生局部熔化，后通過模擬表明是離子轟擊引起了孔板和發(fā)射體的倒角，孔板上的熱沉積導(dǎo)致孔板的過熱和熔化。另外，陰極點(diǎn)火時(shí)的濺射腐蝕會(huì)導(dǎo)致陰極失效，而減小放電電流，增加工質(zhì)流率可以降低濺射腐蝕速率[37-38]。圖1-5無熱子空心陰極的啟動(dòng)特性[34]]無熱子空心陰極啟動(dòng)時(shí)不需要加熱絲進(jìn)行預(yù)熱，在一定程度上能夠減少能量的消耗，并且比熱陰極結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，在一定程度上有助于陰極本身重量的減少、體積的優(yōu)化、可靠性的提高。無加熱點(diǎn)火機(jī)制可以降低點(diǎn)火過程中的功率需求、消除對(duì)加熱器電源的需求、將推進(jìn)系統(tǒng)的準(zhǔn)備時(shí)間縮短到幾十秒、延長(zhǎng)陰極壽命[3]。然而，無熱子空心陰極也面臨一些缺陷，比如，啟動(dòng)時(shí)需要高壓擊穿，對(duì)電源的絕緣材料要求較高，啟動(dòng)時(shí)加熱沒有集中在發(fā)射體上，降低了陰極加熱效率，這些問題在將來的陰極設(shè)計(jì)中都應(yīng)納入考慮。1.4啟動(dòng)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀在航天電推進(jìn)中，由于體積、成本和特定負(fù)載特性的限制，電源的高功率密度、高效率和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是最重要的[39-40]。特定的工業(yè)設(shè)備用的電源系統(tǒng)，往

【參考文獻(xiàn)】：
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