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射频离子推力器RIT(RF Ion Thruster)经过半个多世纪的发展,其技术成熟度已达到应用级别。但小型电感耦合射频离子推力器在放电性能优化和运行环境上依旧有不少悬而未决的问题。小型推力器的点火步骤也较为复杂,且电效率偏低。此外,超高无拖曳航天技术要求微推力器推力分辨力和噪声优于亚微牛级,这就对微推力器推力的可控性与稳定性提出了更高的要求,需要在科学与技术层面有所突破和创新才有可能攻克这些关键问题。 首先系统分析了适用于射频离子微推力器的感性耦合等离子体理论模型,结合离子光学系统理论模型获得电子温度求解方法。利用Matlab和Multiphysics仿真分析了射频离子微推力器(μRIT)放电室内部电磁场场强分布、等离子体放电参数和离子聚焦性能。获得离子生成能分配关系以及离子聚焦与加速电压的关系,为μRIT的优化设计提供重要参考和依据。 针对任务需求,初步设计了μRIT-2和μRIT-4实验样机,开展了样机工作稳定性和初步优化实验。实验结果表明两款推力器均能长期稳定工作,其中μRIT-4的工作性能已达到设计指标。此外,提出一种新型无中和器点火方法,极大地降低了推力器的点火复杂性。同时还验证了聚四氟乙烯作为射频离子微推力器固态工质的可行性。 随后开展了μRIT-2.5实验样机的研制,优化了影响电感耦合等离子体放电性能的关键参数。利用法拉第探杯测量了离子羽流的发散角,修正了推力估算值,并为离子光学系统的设计提供参考。通过测控系统采集的实验数据评估了推力的稳定性、分辨力和噪声,固化了μRIT-2.5的变推力范围、比冲和功耗等物理性能参数。优化实验结果表明,μRIT-2.5的工作性能满足设计指标,最大推力可达到1.5mN,比冲高达3265s,功推比约为43.6W/mN。 研制出一款小型感性耦合射频等离子体桥中和器,设计了基于高压击穿的快速点火方式,解决了感性耦合等离子体在低功率和小工质流量时难以点火的问题。采用全局非双极流模型和鞘层结构模型,研究了电子引出性能与阳极斑形成的关系以及阳极斑形成条件。通过实验研究证实了该模型基本适用于射频等离子体桥中和器。