商業(yè)航天的迅速發(fā)展,對(duì)低成本低功率電推進(jìn)系統(tǒng)的需求日趨強(qiáng)烈,但作為目前電推進(jìn)廣泛應(yīng)用的氙氣使其成本居高不下。氪氣與氙氣的性能相近,價(jià)格低廉,目前成功已運(yùn)用到低功率霍爾推力器上,但性能下降較大。空心作為電推進(jìn)系統(tǒng)重要的組件,放電性能對(duì)整個(gè)電推進(jìn)系統(tǒng)有著顯著影響。為此本文對(duì)低電流氪工質(zhì)空心陰極放電特性進(jìn)行了研究,并進(jìn)行了放電優(yōu)化。對(duì)比了空心陰極采用氙氣和氪氣放電性能差異,發(fā)現(xiàn)氪氣工作時(shí),放電電壓和電子溫度更高、氣壓更低,低電流下孔板溫度更低,穩(wěn)定工作范圍窄。構(gòu)建了COMSOL仿真模型,通過(guò)仿真模型發(fā)現(xiàn),放電電壓更高是發(fā)射體鞘層電壓、孔區(qū)電勢(shì)降和羽流區(qū)電勢(shì)降均偏大的結(jié)果。研究了低電流氪工質(zhì)空心陰極放電振蕩特性。氪氣與氙氣放電時(shí)電流振蕩均存在雙峰,氪氣振蕩更小,但振蕩中心頻率更高。增加電流,陽(yáng)極電流低頻和高頻振幅均增加,導(dǎo)致振蕩加劇。隨著陽(yáng)極電流的增大和與陽(yáng)極間距的縮小,電流振蕩與等離子體密度振蕩的相關(guān)性逐漸增強(qiáng)。增開(kāi)觸持極時(shí),陽(yáng)極電流和電壓振蕩加劇來(lái)自于低頻振蕩的加劇。觸持極電流大小對(duì)陽(yáng)極振蕩的影響程度與陽(yáng)極電流大小相關(guān),在低陽(yáng)極電流下,觸持極電流越小,對(duì)陽(yáng)極振蕩的影響越小;在高陽(yáng)極電流下則... 

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

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

NASA的商業(yè)化鍍膜機(jī)小型

觸持極電流超過(guò)2.5A時(shí)，陰極保持點(diǎn)模式的最低流量為2sccm；電流繼續(xù)增大到4A，最低流量減小到1sccm；孔徑較小的陰極表現(xiàn)較差，相同工況下，陰極穩(wěn)定工作的范圍更窄。對(duì)比來(lái)看，陰極節(jié)流孔存在一個(gè)最優(yōu)值[21]。Daniela通過(guò)建立仿真模型，改變節(jié)流孔徑和孔長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)：孔徑增加，陰極功耗下降，而孔長(zhǎng)對(duì)陰極的功耗影響較小[22]。2008年IraKatz團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓作用于節(jié)流孔長(zhǎng)圓柱體通道兩端，在沒(méi)有等離子體的情況下，通道下游出口的電勢(shì)隨著孔長(zhǎng)每增加一個(gè)數(shù)量級(jí)而下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，由此說(shuō)明孔深比越大，陰極點(diǎn)火越困難[23]。圖1-2密西根大學(xué)變孔深比實(shí)驗(yàn)[17]圖1-3圓柱通道電勢(shì)降隨孔長(zhǎng)變化[23]為滿足PlaS-40霍爾推力器的工作需求，俄羅斯火炬設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)了K-1H陰極，其最大特色是發(fā)射體是由LaB6制成的多腔結(jié)構(gòu)，最小流量可降至0.5sccm，能在1-2A電流下穩(wěn)定放電，測(cè)試中陰極的懸浮電勢(shì)隨著電流的增長(zhǎng)而逐漸下降，與傳統(tǒng)陰極的放電特性無(wú)明顯差異[24]。之后基于4.5A六硼化鑭陰極KH-3進(jìn)行了低電流陰極改進(jìn)，用于適配SPT-50霍爾推力器，發(fā)射體改進(jìn)為鋇鎢氧化物，1~3號(hào)是改變發(fā)射體的制造工藝，4~5號(hào)是改變發(fā)射體中鹽的比例，增強(qiáng)抗中毒

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文3比（孔長(zhǎng)/孔徑）放電特性研究。發(fā)現(xiàn)：增加孔深比，陰極自持電壓和最低自持功率均會(huì)略有增加，但最小放電流量會(huì)減小；供氣流量與點(diǎn)模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：孔徑越大實(shí)現(xiàn)點(diǎn)模式的供氣流量也越大，成正比，孔深越大需要供的供氣流量就越小，成反比。在孔深比為6時(shí)，該陰極可在1sccm氙氣流量，引出電流1A下工作，自持功耗為22W[17-19]。實(shí)驗(yàn)中他們還發(fā)現(xiàn)封閉式觸持極比開(kāi)放式觸持極耗功低5-15%，說(shuō)明封閉式觸持極能夠減小陰極功率。測(cè)溫結(jié)果顯示：在距節(jié)流孔12mm的發(fā)射體區(qū)溫度變化不大，而在12mm之后溫度快速下降，據(jù)此認(rèn)為在發(fā)射體區(qū)熱輻射和熱傳導(dǎo)基本相平衡，而在發(fā)射體以外熱損耗大幅增加[17]。從中可以看出熱傳導(dǎo)是陰極熱量傳遞的主要形式，因此在選用陰極的制作材料時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)盡可能小，陰極管也應(yīng)盡量薄[19][20]。JPL實(shí)驗(yàn)室的John等人基于T6中和器陰極，測(cè)試了變節(jié)流孔徑下2款陰極的性能，這2款陰極的節(jié)流孔徑分別減小為原型的62.5%和50%�？讖捷^大的陰極在當(dāng)觸持極電流超過(guò)2.5A時(shí)，陰極保持點(diǎn)模式的最低流量為2sccm；電流繼續(xù)增大到4A，最低流量減小到1sccm；孔徑較小的陰極表現(xiàn)較差，相同工況下，陰極穩(wěn)定工作的范圍更窄。對(duì)比來(lái)看，陰極節(jié)流孔存在一個(gè)最優(yōu)值[21]。Daniela通過(guò)建立仿真模型，改變節(jié)流孔徑和孔長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)：孔徑增加，陰極功耗下降，而孔長(zhǎng)對(duì)陰極的功耗影響較小[22]。2008年IraKatz團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓作用于節(jié)流孔長(zhǎng)圓柱體通道兩端，在沒(méi)有等離子體的情況下，通道下游出口的電勢(shì)隨著孔長(zhǎng)每增加一個(gè)數(shù)量級(jí)而下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，由此說(shuō)明孔深比越大，陰極點(diǎn)火越困難[23]。圖1-2密西根大學(xué)變孔深比實(shí)驗(yàn)[17]圖1-3圓柱通道電勢(shì)降隨孔長(zhǎng)變化[23]為滿足PlaS-40霍爾推力器的工作需求，俄羅斯火?

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號(hào)：3475580