【摘 要】
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随着航天技术的发展,电推进(Electric Propulsion,EP)技术在太空探索中发挥越来越重要的作用,微阴极电弧推力器(Micro-Cathode Arc Thruster,μ-CAT)是一种新型的脉冲放电推
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随着航天技术的发展,电推进(Electric Propulsion,EP)技术在太空探索中发挥越来越重要的作用,微阴极电弧推力器(Micro-Cathode Arc Thruster,μ-CAT)是一种新型的脉冲放电推力器,由推力器放电腔室、外加磁路装置和脉冲高压电源组成。其利用电源加在放电腔室阴阳极之间的脉冲高压击穿电极,发生电弧放电现象,不断烧蚀并击穿阴极金属材料产生等离子体,在磁路装置产生的磁场作用下加速喷出,产生推力。μ-CAT具有质量和体积小、比冲高、加工简单、不需携带额外工质等特点,便于实现批量生产和模块化组装,可用于航天器轨道变迁、误差补偿、深空探测等,在微纳卫星中有广泛应用。本文总结归纳了国内外μ-CAT的发展现状,详细分析了μ-CAT的工作原理,并对同轴型微阴极电弧推力器进行了数值模拟及实验研究。首先使用等离子体粒子模拟(Particle in Cell,PIC)的算法编写了羽流模拟程序,在保证重要物理参数模拟结果正确前提下,利用缩比算法和运动转换公式等缩短了程序的计算时长,加速收敛。程序对给定工况下的μ-CAT的等离子体羽流进行了模拟计算,得到了计算区域的粒子密度分布、电势和磁场分布、离子速度等参数,并采用控制变量法分别模拟计算了磁路系统位置和电流大小对羽流性能的影响;随后在相关理论的指导下,对推力器放电腔室进行了设计改良、对推力器磁路装置和实验所需真空舱体等进行了设计制造,对实验中所需的测量探头、传感器等元器件进行了选型,并搭建了μ-CAT高真空实验平台。实验中对μ-CAT的放电现象、阴极烧蚀、绝缘陶瓷侵蚀、放电特性等进行了观察记录和参数统计,并对比了不同推力器放电腔室放电后绝缘陶瓷的侵蚀结果,针对实验中出现的各种现象做了原理分析。
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