脈沖等離子體推力器工作過(guò)程及羽流特性理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、固體燒蝕型脈沖等離子體推力器(Ablative Pulsed Plasma Thruster，APPT)是一種極具優(yōu)勢(shì)的電推進(jìn)系統(tǒng)，它具有平均功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、沖量小、比沖高的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于微小衛(wèi)星軌道保持、星座站點(diǎn)保持、阻力補(bǔ)償?shù)蕊w行任務(wù)。
　　本文綜合使用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究手段，以提高推力器工質(zhì)利用效率、延長(zhǎng)推力器使用壽命、提升推力器工作可靠性與性能、探究 APPT對(duì)航天器污染內(nèi)部機(jī)理為研究目標(biāo)，重點(diǎn)針

2、對(duì)脈沖等離子推力器工作過(guò)程及羽流特性進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。在對(duì)PTFE放電工作過(guò)程及工質(zhì)燒蝕物理現(xiàn)象分析的基礎(chǔ)上，建立了考慮輻射能量吸收、材料表面反射特性及發(fā)射特性影響的一維工質(zhì)燒蝕模型；對(duì)工質(zhì)燒蝕基本物理過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了不同放電特性對(duì)工質(zhì)燒蝕特性的影響。研究結(jié)果表明：APPT放電工作不同階段，工質(zhì)燒蝕具有不同特點(diǎn)。放電電流的衰減振蕩會(huì)增加系統(tǒng)能量的損失，增加熔融態(tài)PTFE厚度；減小放電振蕩程度，可以有效降低由于工質(zhì)粒子發(fā)

3、射帶來(lái)的工質(zhì)損耗。建立了APPT地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了APPT地面實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，改造了地面電源及點(diǎn)火系統(tǒng)；設(shè)計(jì)了一種新型的由激光控制工質(zhì)燒蝕質(zhì)量、可采用包括金屬在內(nèi)多種材質(zhì)為工質(zhì)的激光耦合脈沖等離子體推力器；燒制了PTFE基摻雜改性工質(zhì)；改造了鐘擺式微沖量天平，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以PSD為傳感器的鐘擺式微沖量測(cè)量天平位移信號(hào)測(cè)量裝置及實(shí)時(shí)在線電磁標(biāo)定方案。
　　本文進(jìn)行了APPT及激光電磁耦合APPT性能實(shí)驗(yàn)研究。在對(duì)APPT系統(tǒng)性能進(jìn)行理論分

4、析的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了初始能量及能量供給方式、極板間距、極板構(gòu)型等參數(shù)對(duì)APPT系統(tǒng)性能的影響，通過(guò)對(duì)APPT放電回路及性能參數(shù)擬合估算，初步弄清了參數(shù)變化對(duì)推力器性能影響的內(nèi)部機(jī)制。研究表明：在相同電壓條件下通過(guò)增大電容容量提升系統(tǒng)初始能量，減小推力器極板間距；同時(shí)，在一定角度范圍內(nèi)，增大極板擴(kuò)張角并采用舌性極板，能夠有效提升推力器比沖及系統(tǒng)效率。采用不同金屬材質(zhì)極板及不同PTFE基摻雜工質(zhì)的APPT性能實(shí)驗(yàn)表明：不同材質(zhì)極板及摻雜

5、工質(zhì)對(duì)APPT放電特性及系統(tǒng)性能均產(chǎn)生了一定的影響；在所采用極板材料中，70％Wu30%Cu具有最為優(yōu)異的抗燒蝕能力，以70%Wu30%Cu為極板材料時(shí)APPT元沖量最大，但比沖及系統(tǒng)效率最低；在所試制的工質(zhì)中，采用10%Al90%PTFE為工質(zhì)時(shí)，APPT元沖量及系統(tǒng)效率最大。激光電磁耦合APPT工作性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與傳統(tǒng)APPT相比，以Al為工質(zhì)的激光電磁耦合APPT比沖為5970s，效率為50.39%，系統(tǒng)性能提升明顯。開(kāi)展了A

6、PPT羽流特性診斷研究。建立了電流模式Langmuir三探針診斷系統(tǒng)；綜合利用探針陣列、四級(jí)桿質(zhì)譜儀及等離子體發(fā)射光譜的手段，對(duì)在不同初始能量條件下APPT羽流的等離子體電子溫度、密度、速度空間分布特性及等離子體成分變化進(jìn)行了診斷研究。研究結(jié)果表明：在APPT羽流區(qū)中，等離子體電子密度及溫度隨著距推力器出口距離及偏離推力器中心軸線角度的增大基本呈減小趨勢(shì)；在與極板垂直平面內(nèi)，等離子體具有非對(duì)稱分布的特征，而在與極板平行平面內(nèi)，等離子體分

7、布則基本呈對(duì)稱分布特性；APPT等離子體成分的相對(duì)含量，在不同能量范圍內(nèi)呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，隨著初始能量的增大，中性成分相對(duì)含量逐漸減少，電離成分相對(duì)含量逐漸增多。
　　本文開(kāi)展了脈沖等離子體推力器羽流沉積污染特性實(shí)驗(yàn)研究。利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM）、掃描探針顯微鏡（SPM）、傅里葉變化紅外光譜儀（FTIR）、光電子能譜儀（XPS）及紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)，對(duì)APPT羽流不同空間方位沉積薄膜的形貌特征、結(jié)構(gòu)成分及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征

8、；分析了不同徑向位置及初始能量改變對(duì)APPT羽流污染特性的影響。研究結(jié)果表明：APPT羽流沉積生成了具有不同結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性的低氟碳比碳氟膜。在 APPT羽流區(qū)不同區(qū)域等離子體特性及PTFE燒蝕電離基團(tuán)的分布特性影響著沉積薄膜中各種鍵態(tài)的變化趨勢(shì)，使得不同位置處沉積薄膜具有不同的結(jié)構(gòu)。沉積薄膜的結(jié)構(gòu)及薄膜表面粗糙度對(duì)沉積薄膜光學(xué)特性產(chǎn)生影響，不同位置處沉積薄膜具有不同的透射及反射特性。在與極板垂直平面內(nèi)，沉積薄膜微觀結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性以30度