真空环境对霍尔推力器性能影响的理论和实验研究

论文摘要

霍尔推力器具有高效率、高比冲以及高可靠性等优点,自从1970年成功研制以来,已经广泛用于卫星的姿态控制、位置保持和精确定位等航天任务中。它能够提高卫星的有效载荷,节约发射成本,完成远距离的探测任务,现已成为世界各航天大国电推进装置研究中的热点。目前俄罗斯、美国、中国等很多国家都加大了对霍尔推力器的研究力度。由于现在对霍尔推力器的研究都是在地面实验设备模拟的真空环境下进行的,模拟的真空环境和实际的太空环境存在很大的差别,给霍尔推力器的研究工作带来很大的影响。本文旨在初步研究真空环境对霍尔推力器性能的影响,从而为推力器应用于航天任务提供必要的依据,具体的工作内容包括以下几方面:背景气体成分对推力器性能的影响分析。在模拟真空环境的过程中,由于真空获得方式不同,在背景气体中残留的气体成分也不同。这些气体成分会对推力器性能产生一定的影响,例如氢气会改变推力器通道内壁物质成分,使推力器震荡加大;负离子会严重腐蚀推力器通道,使推力器工作状态变坏等等。本文主要从真空获得和推力器性能的角度出发,对气体成分做了详细的论证和分析。真空背景气体压力(简称真空背压)对霍尔推力器性能的影响。当真空背压过高时,真空室内气体分子由于热运动的原因会扩散到推力器通道内部,它在电子的碰撞作用下被电离,最终以离子的形式被电场加速喷出,势必会影响到推力器的推力,效率,放电电流和比冲等参数。当真空背压过低时,推力器出口喷出的快速离子会直接轰击真空室壁面,可能在壁面上打击出其他粒子,这种粒子也会对推力器性能产生很大的影响。要想减少这种影响,势必要增大真空罐体的尺寸,但是由于制作工艺、费用等各方面因素的制约,无限制地增加真空罐体的尺寸是不能实现的。所以本文深入的研究了背压对霍尔推力器性能的影响,为后续推力器研究提供了理论依据。推力器最优工作状态下真空背压和磁场位形匹配关系研究。推力器的工作机理主要就是利用电磁场的相互作用使粒子电离后加速喷出,从而产生推力。磁场会对推力器性能产生很大影响,而背压的变化又会影响到推力器的工作状态,所以背压和磁场之间的匹配关系就显得较为重要。本文从实验的角度出发,对推力器最优工作时背压和磁场位型的关系做了较深入的研究,得出了背压变化可以通过调整磁场来使推力器工作状态最佳的结果,并给出了霍尔推力器实验研究的最佳背压条件。多栅探针验证真空背压对霍尔推力器性能影响实验。推力器内部的电离过程是解释真空背压对其影响的关键,但用等离子体诊断手段直接测量内部参数存在一定的困难,本文利用了离子能量分布函数和推力器通道内部的电离状况之间的一一对应关系,从实验的角度测量了通道出口等离子流中的离子能量分布,推测了通道内电离状态,从而验证了真空背压变化对推力器各种性能参数的影响。

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
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 真空罐内气体成分对霍尔推力器性能的影响
• 2.1 引言
• 2.2 气体成分来源分析
• 2.2.1 真空模拟方法产生的气体成分分析
• 2.2.2 推力器自身产生的气体成分
• 2.2.3 真空室内气体成分和背景压力综合分析
• 2.3 氢气和负离子对霍尔推力器性能的影响
• 2.3.1 氢气对霍尔推力器性能影响及防护措施
• 2.3.2 负离子对霍尔推力器性能影响及防护措施
• 2.4 其它气体成分对霍尔推力器性能的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 真空背压对霍尔推力器性能参数的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验装置改进
• 3.3 真空背压对霍尔推力器放电电流的影响
• 3.3.1 理论基础
• 3.3.2 实验方案设计
• 3.3.3 数据处理及实验结果分析
• 3.4 真空背压对霍尔推力器推力的影响
• 3.4.1 理论基础
• 3.4.2 实验方案设计
• 3.4.3 实验结果及分析
• 3.5 真空背压对霍尔推力器效率的影响
• 3.5.1 理论基础
• 3.5.2 实验结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 真空背压与最优磁场匹配关系的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 研究背压和最优磁场之间匹配关系的重要性
• 4.2.1 磁场强度对霍尔推力器的影响
• 4.2.2 磁场位形对霍尔推力器性能的影响
• 4.3 实验平台建设和方案设计
• 4.3.1 实验平台简介
• 4.3.2 实验方案设计
• 4.4 真空背压和最优磁场位形匹配关系的实验研究
• 4.4.1 实验数据处理方法
• 4.4.2 实验结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 真空背压对离子能量分布函数的影响
• 5.1 前言
• 5.2 多栅探针测量离子能量分布原理
• 5.3 实验装置
• 5.4 实验结果处理及结论分析
• 5.4.1 实验结果分析
• 5.4.2 背压对离子能量分布影响的实验结果
• 5.4.3 计算分析并验证背压对发动机放电电流影响
• 5.4.4 计算分析并验证背压对发动机推力的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢