微型直流离子推力器的设计与实验研究.pdf

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1、中图分类号：V439+.2学校代码：10213UDC：密级：公开工程硕士学位论文微型直流离子推力器的设计与实验研究硕士研究生：杨鑫勇导师：魏立秋教授申请学位：工程硕士学科：航天工程所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V439+.2U.D.C:DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDesignandExperimentalstudyontheMiniatureDCIonThrusterCandidate：YangXinyongSupervisor：P

2、rof.WeiLiqiuAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：AerospaceEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要近年来，针对低轨道的空间探测以及对地观测任务需求日益增多，小卫星技术得到了飞速发展。小卫星平台要求推进系统质量轻、体积小、比冲高、效率高，现有的化学推进器无法很

3、好地满足小卫星工作的需求，电推进的应用成为一种趋势。微型离子推力器具有微推力、高效率、高比冲、推力可控等优点，具有很好的应用前景和研究价值。本文设计了一款放电室直径20mm的微型离子推力器，并对其放电特性和工作性能展开研究。首先，从离子推力器的工作原理出发，分析了离子推力器的不同磁场位形，确定二极磁场作为20mm微型离子推力器的磁场位形并利用FEMM对放电室磁场进行仿真研究，分析放电室内的磁场特性。结果表明，在距放电室底端15mm的位置之前，放电室轴线上的磁场强度呈下降趋势，此后磁场强度呈上升趋势。从推力器的设计需求和实验中发现的问题出发，对无热子空心阴极的结

4、构进行改进。并确定了推力器各部分的几何参数，并对阳极结构、导磁结构、离子光学系统的进行设计，完成20mm微型离子推力器原理样机设计。其次，通过PIC模拟放电室内等离子体密度、电子密度、等离子体电势和电子能量等特性参数，研究不同主阴极位置、工质流量、阳极电压、磁场位形和放电电路放电室等离子体特性的空间变化规律。仿真结果表明，推力器放电的主要区域在主阴极前方，主阴极位置决定了主要放电区的位置并影响屏栅上游等离子体特性；主阴极位置与磁场位形共同决定了等离子体密度和等离子体电势等参数的空间分布形状；磁尖端影响电子能量的空间分布特性；放电参数不会改变等离子体参数的空间分

5、布；屏栅电压显著影响等离子体电势和电子能量的空间分布。第三，利用朗缪尔单探针对放电室内等离子体参数进行诊断，在不同主阴极位置、工质流量、阳极电压和放电电路下，测量放电室内等离子体特性参数的空间分布。测量结果表明，随放电电流的增大，等离子体密度有所增加；工质流量的增加使电子温度降低；等离子体电势受放电参数影响存在最低值；当主阴极的位置靠近屏栅时，等离子体密度会有所增强；阳极-屏栅放电回路对放电起到明显的抑制作用。最后，实验测试了微型直流离子推力器的性能。在不同工质流量、阳极电流、屏栅电压等参数下，测量20mm离子推力器原理样机推力、比冲、工质利用率、放电效率等性

6、能参数。研究结果表明，推力器性能参数与运行参数存在近似线性关系；束流引出对推力器功率和效率的影响比较明显；运行参数超过某一临界值时，推力器的工作模式会发生突变，设计完成20mm微型直流离子推力器可在-I-摘要95.8W放电功率稳定放电，推力达到2.85mN，比冲739s。关键词：微型离子推力器；等离子体参数；PIC仿真；探针诊断；性能参数-II-AbstractAbstractInrecentyears,therehasbeenanincreasingdemandforlow-orbitspaceexplorationmissionsandearthobser

7、vationmissions.Smallsatellitetechnologyhasdevelopedrapidly.Thesmallsatelliteplatformrequiresthepropulsionsystemtobeoflightweight,smallsize,highspecificimpulse,andhighefficiency.Existingchemicalpropulsioncannotmeettheneedsofsmallsatellitesworkwell,andtheapplicationofelectricpropulsio

8、nhasbecomeatrend.Th