發(fā)布時(shí)間：2020-11-23 12:03

　　 空心陰極作為一種電子源和中和器,廣泛應(yīng)用于多種航天任務(wù)。無熱子空心陰極移除了加熱器這一壽命限制結(jié)構(gòu),提高了壽命可靠性。在實(shí)際多次點(diǎn)火中,發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)火失效、陰極結(jié)構(gòu)擴(kuò)孔、暴露大氣后再啟動(dòng)困難等一系列問題,且耦合點(diǎn)火時(shí)不利于解耦分析、沖擊電流大,耦合點(diǎn)火策略的選擇也存在盲目性。為更好地解決上述問題,保障無熱子空心陰極點(diǎn)火的順利進(jìn)行,提升啟動(dòng)壽命,本文針對(duì)性地進(jìn)行了下列研究:考慮到解耦啟動(dòng)時(shí)單陰極的點(diǎn)火方式,針對(duì)單陰極觸持極啟動(dòng)特性進(jìn)行了專項(xiàng)研究。利用示波器對(duì)點(diǎn)火波形及氣壓變化進(jìn)行采集并結(jié)合高速相機(jī)拍攝啟動(dòng)過程。對(duì)比了陽(yáng)極啟動(dòng)和觸持極啟動(dòng)兩種不同的單陰極啟動(dòng)模式,將啟動(dòng)階段重新劃分為三個(gè)階段。重點(diǎn)關(guān)注到影響點(diǎn)火成功的點(diǎn)火關(guān)鍵階段并研究了點(diǎn)火參數(shù)、回路參數(shù)對(duì)該階段的影響。大點(diǎn)火流量,大放電電流預(yù)置均會(huì)保障關(guān)鍵階段的平穩(wěn)過渡,減小點(diǎn)火沖擊;大點(diǎn)火電壓、大觸持放電電壓以及外加電容情況給關(guān)鍵階段帶來更大的波動(dòng),增大了點(diǎn)火沖擊。通過人為的擴(kuò)孔處理,分別對(duì)陰極的鎢頂孔、觸持極孔以及發(fā)射體內(nèi)徑進(jìn)行變孔徑研究。將放電波形、氣壓變化以及高速相機(jī)結(jié)果結(jié)合COMSOL仿真分析長(zhǎng)壽命期間擴(kuò)孔影響。鎢頂孔擴(kuò)孔導(dǎo)致啟動(dòng)過程羽流等離子體密度的下降和電子溫度上升,易于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火但會(huì)增加穩(wěn)態(tài)放電電壓。觸持極擴(kuò)孔減小了點(diǎn)火初期等離子體密度減小了鎢頂孔區(qū)電子溫度,增大了點(diǎn)火困難性,提升了點(diǎn)火穩(wěn)定性。發(fā)射體擴(kuò)孔增加了點(diǎn)火沖擊,提升了點(diǎn)火困難性。針對(duì)實(shí)際空間任務(wù)的陰極需求,通過外加加熱器研究對(duì)陰極啟動(dòng)壽命的拓展。進(jìn)行了加熱器與冷陰極點(diǎn)火的解耦分析,證明裝配加熱器后陰極兩種點(diǎn)火方式的可行性,研究了加熱對(duì)冷啟動(dòng)的影響。加熱會(huì)明顯改善暴露大氣后啟動(dòng)困難性,減小冷啟動(dòng)電流沖擊,拓展陰極點(diǎn)火邊界,有效提升冷陰極點(diǎn)火壽命。采用了兩種不同的推力器點(diǎn)火方式,通過示波器的放電電流波形采集結(jié)合探針收集的飽和電子電流信號(hào)對(duì)這兩種不同點(diǎn)火方式進(jìn)行研究。表明了錯(cuò)時(shí)點(diǎn)火能夠減小點(diǎn)火沖擊。重點(diǎn)針對(duì)錯(cuò)時(shí)點(diǎn)火方式研究了不同點(diǎn)火參數(shù)的影響,指出了各參數(shù)選擇的合理范圍。提出采用先供氣再點(diǎn)陰極后開啟陽(yáng)極電壓的錯(cuò)時(shí)點(diǎn)火方式能夠降低點(diǎn)火沖擊,提高一致性。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V432
【部分圖文】：

空心陰極是一種電子發(fā)射源，多應(yīng)用于航天電推進(jìn)系統(tǒng)[1]，同時(shí)也可其他等離子體放電的相關(guān)領(lǐng)域，如表面處理[2-3]，真空鍍膜[4]，真空由目前本實(shí)驗(yàn)室積累的關(guān)于空心陰極多次啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)情況來看，無熱子在多次啟動(dòng)后伴隨點(diǎn)火失效、結(jié)構(gòu)擴(kuò)孔、啟動(dòng)困難的問題，而在與推點(diǎn)火時(shí)又表現(xiàn)出與單陰極啟動(dòng)不同的結(jié)果，這對(duì)于空心陰極實(shí)際在軌大的影響，直接影響到了陰極甚至推力器的壽命可靠度。單獨(dú)的冷陰極在 60 次啟動(dòng)后在發(fā)射體的上表面和鎢頂?shù)膬?nèi)表面出現(xiàn)的污染情況（圖 1-1）。在多次點(diǎn)火（遠(yuǎn)大于 60 次）后甚至出現(xiàn)發(fā)射情況發(fā)生（圖 1-2），脹裂的發(fā)射體碎塊脫落并卡在鎢頂節(jié)流孔上（圖了陰極的運(yùn)行。實(shí)際點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，冷陰極在暴露大氣后或火后極易出現(xiàn)無法點(diǎn)著的情況，啟動(dòng)可靠性變差；長(zhǎng)壽命工作期間會(huì)擴(kuò)孔，對(duì)啟動(dòng)過程有不明確的影響。另外，陰極單獨(dú)點(diǎn)火與陰極和發(fā)點(diǎn)火存在差異性。并且在耦合點(diǎn)火時(shí)不利于對(duì)陰極和推力器點(diǎn)火過程析，一旦點(diǎn)火失效發(fā)生，難以判斷失效來源，此外耦合點(diǎn)火時(shí)有很高擊問題。

-2 陰極點(diǎn)火過程中脫落的發(fā)射體碎塊 圖 1-3 碎塊卡在鎢頂節(jié)流孔上 研究的目的和意義作為電推進(jìn)系統(tǒng)中的重要部件，空心陰極在該系統(tǒng)中有最高的等離最大的電流密度和最高的工作溫度，其工作性能與壽命是推力器性鍵指標(biāo)。加熱器作為陰極失效的串行結(jié)構(gòu)件，其本身工作溫度很高生蒸發(fā)腐蝕等導(dǎo)致最終的斷路或短路失效[6]。加熱器失效是傳統(tǒng)空的主要表現(xiàn)形式之一[7]。近年來，使用高電壓擊穿點(diǎn)火的無熱子空了廣泛的關(guān)注。無熱子空心陰極由于其更快的啟動(dòng)速度、簡(jiǎn)單的結(jié)可靠性，是航天用空心陰極的重要發(fā)展方向[8]。由于移除了加熱器極失效的關(guān)鍵部件，使得無熱子空心陰極的壽命可靠性相比熱陰極。目前在軌應(yīng)用的電推力器主要有霍爾推力器和離子推力器兩種�？諆煞N推力器中都是關(guān)鍵部件，起著點(diǎn)火、維持放電以及中和羽流的壽命直接決定了電推進(jìn)系統(tǒng)的壽命可靠性[10]。無熱子空心陰極采用

-2 陰極點(diǎn)火過程中脫落的發(fā)射體碎塊 圖 1-3 碎塊卡在鎢頂節(jié)流孔上 研究的目的和意義作為電推進(jìn)系統(tǒng)中的重要部件，空心陰極在該系統(tǒng)中有最高的等離最大的電流密度和最高的工作溫度，其工作性能與壽命是推力器性鍵指標(biāo)。加熱器作為陰極失效的串行結(jié)構(gòu)件，其本身工作溫度很高生蒸發(fā)腐蝕等導(dǎo)致最終的斷路或短路失效[6]。加熱器失效是傳統(tǒng)空的主要表現(xiàn)形式之一[7]。近年來，使用高電壓擊穿點(diǎn)火的無熱子空了廣泛的關(guān)注。無熱子空心陰極由于其更快的啟動(dòng)速度、簡(jiǎn)單的結(jié)可靠性，是航天用空心陰極的重要發(fā)展方向[8]。由于移除了加熱器極失效的關(guān)鍵部件，使得無熱子空心陰極的壽命可靠性相比熱陰極。目前在軌應(yīng)用的電推力器主要有霍爾推力器和離子推力器兩種�？諆煞N推力器中都是關(guān)鍵部件，起著點(diǎn)火、維持放電以及中和羽流的壽命直接決定了電推進(jìn)系統(tǒng)的壽命可靠性[10]。無熱子空心陰極采用
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