場致發(fā)射電推力器工作性能及其發(fā)射機理研究.pdf

1、傳統(tǒng)的化學推進比沖低、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)復雜，極大地限制了它在微小衛(wèi)星上的應用。基于液態(tài)金屬離子源的場致發(fā)射電推力器是一種靜電式電推力器，具有推力小、比沖高、效率高等優(yōu)點，可應用于微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制、定位控制、航天器電位控制、軌道轉(zhuǎn)移和提升、軌道修正、阻力補償?shù)热蝿?。本文在國?nèi)外研究的基礎(chǔ)上，研制了場致發(fā)射電推力器實驗樣機，并對這一新型電推力器進行了實驗及理論研究。
　　研制了包括控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)及推力器本體在內(nèi)的針型銦場致發(fā)射電推力

2、器實驗樣機，以此為基礎(chǔ)研究了場致發(fā)射電推力器的工作性能。該樣機實現(xiàn)了推力器的發(fā)射極到吸極垂直距離、工作電壓等參數(shù)可調(diào)。在推力器關(guān)鍵部件制作上，采用微細電化學方法加工頂點半徑2-5μm的發(fā)射針，并進行表面粗化、超聲及化學清洗以及浸潤處理，制備出FEEP用發(fā)射極。建立了包括發(fā)射電流、電壓檢測、微推力測量的實驗平臺。針對場致發(fā)射電推力器推力小(<0.01mN)的特點，采用薄懸臂梁對場致發(fā)射電推力器的推力進行了測量。
　　場致發(fā)射電推力器

3、的發(fā)射系統(tǒng)是推力器的核心，而發(fā)射極頂點附近的電場強度是影響FEEP性能的關(guān)鍵因素之一。本文從改進的動態(tài)流柱模型出發(fā)，詳細描述了以半橢球取代半球作為發(fā)射極頂點的形狀表達，并基于該模型與吸極尺寸關(guān)系，運用基于增長網(wǎng)格劃分的有限差分法對極間的電場強度進行了計算，得出發(fā)射初期的極間電場主要受到發(fā)射極頂點半徑的影響，而吸極到發(fā)射極的距離以及吸極內(nèi)半徑對電場強度影響較小的結(jié)論。
　　本文將場致發(fā)射電推力器的運行劃分為液態(tài)金屬的發(fā)射和補充兩個并

4、行的過程，通過對這兩個過程的理論建模及詳細描述，提出了場致發(fā)射電推力器運行過程中液態(tài)金屬發(fā)射與補充平衡的穩(wěn)定工作狀態(tài)，即液態(tài)金屬通過場蒸發(fā)作用發(fā)射出去的速率與液態(tài)金屬不斷流向頂點的速率相等。進一步研究了維持穩(wěn)定發(fā)射的最小發(fā)射電流狀態(tài)，并且發(fā)現(xiàn)，延長推力器壽命的有效方法之一就是將推力器運行在最小發(fā)射電流狀態(tài)，并根據(jù)穩(wěn)定狀態(tài)的平衡條件，初步獲得了最小發(fā)射電流的估算模型。
　　在研制場致發(fā)射電推力器實驗樣機及其測試平臺上開展了大量實驗，

5、主要包括樣機原理驗證實驗，性能測試實驗以及最小發(fā)射電流模型驗證實驗等。在驗證了FEEP原理樣機正確性的基礎(chǔ)上，開展了FEEP樣機的伏安發(fā)射特性測試，驗證了推力器的設(shè)計參數(shù)如工作電壓、發(fā)射電流、發(fā)射針頂點半徑、發(fā)射極到吸極垂直距離等與伏安特性的關(guān)系，與此同時還進行了伏安特性與性能參數(shù)如推力、質(zhì)量效率、比沖等的關(guān)系實驗，驗證了性能模型的合理性。對場致發(fā)射電推力器的最小發(fā)射電流狀態(tài)進行了實驗驗證。
　　針對場致發(fā)射電推力器的工作性能及發(fā)