论文部分内容阅读
电推进装置与传统的推进装置相比,具有比冲高、体积小、质量轻、易控制的优点。随着人们对于太空探索范围不断的扩展,电推进需要承担越来越多的航天任务,对其寿命的要求也越来越高,一般承担深空探索任务的电推进装置的期望寿命都在15000小时以上。稳态等离子体推力器（SPT,Stationary Plasma Thruster）是一种较为成熟的电推进装置类型,其具有结构简单,运行可靠,比冲高等优点,已经在航天领域的应用中有不错的表现,但SPT中性能较为成熟的大多数型号的使用寿命都在10000小时以下,所以需要采用有效的方法来提升它们的寿命,以满足未来的航天探索任务需求。SPT的寿命主要限制于其通道壁面的溅射削蚀速率。壁面的削蚀会导致壁面下的磁极暴露,使推力器的电磁场结构发生改变,不能稳定运行从而寿命终结。对于提高霍尔推力器寿命的研究主要从两方面考虑:1)控制离子的运动,减少其对壁面的轰击;2)提高壁面的抗溅射性能,减缓削蚀速率。第一种方法的实现一般需要重新设计磁场构型,改变推力器的结构,不适用于现有的推力器类型。而第二种方法能够适用于现有型号的推力器。所以本文基于第二种方法尝试将金刚石作为SPT的壁面镀层材料,并通过其二次电子发射性能、对磁场的影响以及加工技术等方面进行考察,认为金刚石适合作为SPT壁面的镀层材料。采用真空舱内的溅射产额测量实验和SEM电镜扫描等方式考察金刚石抗溅射性能,并使用基于混合粒子方法的PIC/DSMC/MCC程序对采用金刚石镀层的SPT放电室壁面溅射削蚀情况进行模拟,考察镀层对于寿命的提高效果。本文在溅射产额测量实验中采用称重法进行测量,得到了金刚石在不同入射角下的溅射产额,并与相同溅射条件下的氮化硼陶瓷（BN）对比。结果表明,在不同的入射角下,金刚石的溅射产额均小于BN陶瓷,溅射量相对BN陶瓷减小60%。在溅射实验结束后,本文通过SEM电镜扫描观察了金刚石和BN陶瓷的表面形貌,发现被金刚石覆盖的BN陶瓷在溅射后,表面上可以形成具有大长径比的凸起结构,这种结构能够改善BN的抗溅射能力,所以在SPT中可以考虑在原陶瓷壁面上镀金刚石膜,不仅能增加一层保护,还能有提高原壁面抗溅射能力的效果。本文在PIC/DSMC/MCC混合方法中耦合了壁面材料的溅射产额关系式,统计壁面上不同节点处的溅射量,从而模拟出被溅射一段时间后的壁面轮廓。文中对比了在SPT-70中分别采用BN陶瓷和金刚石材料的放电室壁面的轮廓变化。结果表明,BN陶瓷壁面在3000h左右时,累积的最大溅射深度已经能将壁面打穿,使磁极暴露;而金刚石壁面在3000h时,最大溅射深度只有壁面厚度的1/3,并且在3000h之后,每隔1000h的溅射深度变化只有1×10-2mm量级,且变化速率不再波动,故可以继续承受更长时间的溅射轰击。通过对比还发现,1mm厚度的金刚石壁面可以在SPT-70中至少承受5000h的溅射削蚀,而同样1mm厚的BN陶瓷壁面仅在300400h之间就被削蚀掉,所以1mm厚度的金刚石已至少能将原壁面的使用寿命从3000h增加至5000h,相对提高67%,效果显著。