空心阴极特性及对霍尔推力器特性影响的实验研究

论文摘要

空心阴极作为电子源是霍尔推力器(SPT)中的关键部件之一,其作用一是提供中和来霍尔推力器离子的电子束,使SPT羽流呈准中性的等离子体流;二是向加速管提供部分电子,保证SPT内部中性气体的电离。空心阴极的工作特性是影响霍尔推力器性能的重要因素之一。本文介绍了空心阴极的结构和工作原理,研究了阴极加热功率(发射体温度)对空心阴极工作参数的影响规律。随着阴极加热功率的增加,发射体温度升高,热发射电流密度增加,如果保持阴极电流不变,则发射体表面电场应减小,导致阴极电压减小,SPT推力、效率等性能有所增加。空心阴极放电有多种工作模式,在某些参数范围内工作时会产生自激振荡,振荡产生的机理目前还不清楚。自激振荡导致放电电流的大幅度变化,严重影响空心阴极及SPT工作的稳定性,从而限制了SPT的工作范围。本文实验研究了质量流量、放电电流、加热功率等参数对空心阴极振荡的影响规律,给出了振荡产生的临界点随质量流量和放电电流的变化规律,为确定SPT的稳定工作范围提供了实验依据。空心阴极和SPT是耦合工作的,空心阴极相对于SPT的安装位置和工作参数对SPT的性能和工作状态有很大的影响,实验研究了空心阴极的轴向安装位置和偏置距离、安装角度、阴极质量流量等对SPT的性能、羽流对称性的影响规律。实验结果表明,随着阴极安装位置相对于SPT轴向距离的增加,阴极耦合电压数值逐渐降低,SPT的加速电压相对升高,因此SPT的推力和效率增加;羽流区等离子体密度变化不明显,空间对称性变化不大。随着阴极相对于SPT的偏置距离的增加,阴极耦合电压数值有减小的趋势,导致发动机推力和效率增大;实验研究了空心阴极轴线与推力器轴线夹角为0、45和90度时阴极耦合电压的变化情况,当阴极偏置45度时,阴极耦合电压数值最小,SPT性能较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及应用
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 空心阴极的应用
• 1.3 本文研究内容
• 1.3.1 空心阴极原理及稳态特性研究
• 1.3.2 空心阴极振荡特性实验研究
• 1.3.3 空心阴极对霍尔推力器影响的实验研究
• 第2章 空心阴极原理及稳态特性实验研究
• 2.1 引言
• 2.2 空心阴极的基本原理
• 2.2.1 发射区
• 2.2.2 孔区域
• 2.2.3 触持极
• 2.3 空心阴极稳态特性实验研究
• 2.3.1 空心阴极加热功率对放电电压的影响实验
• 2.3.2 空心阴极质量流量对放电电压的影响实验
• 2.3.3 空心阴极放电电流对放电电压的影响实验
• 2.4 本章小结
• 第3章 空心阴极振荡现象的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验装置介绍
• 3.3 空心阴极振荡的临界状况研究
• 3.3.1 实验方案设计
• 3.3.2 实验测量结果及分析
• 3.4 空心阴极振荡羽流区的实验研究
• 3.4.1 实验方案设计
• 3.4.2 探针法测量空心阴极羽流区参数
• 3.4.3 实验测量结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 空心阴极对霍尔推力器影响的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验装置介绍
• 4.3 实验方案设计
• 4.4 空心阴极位置对霍尔推力器性能的影响及分析
• 4.4.1 空心阴极轴向位置对霍尔推力器性能的影响及分析
• 4.4.2 空心阴极偏置对霍尔推力器性能的影响及分析
• 4.5 空心阴极安装角度对霍尔推力器性能的影响及分析
• 4.6 空心阴极工作参数对霍尔推力器性能的影响及分析
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录一
• 附录二
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历