推进器是一种将电能转化为动能的推力装置,相较于传统的化学推进,具有高比冲、高效率、高有效载荷比等优势,各航天大国纷纷加大发展力度。目前已经有很多装置成功地用于轨道保持、深空探测等一系列太空任务中。至今为止研究最多的两种电推进装置,一是离子推力器,二是霍尔推力器。在这两种推力器中,空心阴极一方面作为电子源,另一方面作为中和器,是这两种推进系统中尤其重要的部分。在霍尔推力器中至少需要一个阴极来完成工质电离和离子补偿;而在离子推力器中,这两项功能是分开的,至少需要两个空心阴极,一个作为电子源,另一个作为中和器。随着电推进系统的工程化应用,空心阴极作为电推进装置的核心部件,引起了各国的普遍重视。因此研究阴极的可靠性和稳定性具有重要的意义,目前阴极的振荡对阴极的寿命有着不可忽视的影响,所以需要研究阴极振荡的机制,需要了解阴极放电过程中等离子体放电的特性演化过程。对于阴极羽流区当中的等离子体参数可以通过探针诊断以及光谱诊断等多种方式得到,但是由于阴极结构一般比较比较小巧紧凑,且阴极在工作的时候内部温度往往达到上千摄氏度,高温以及结构的限制导致阴极内部的等离子特性参数很难通过常规实验手段得到,而为了研究阴极放电过程中许多复杂的机制,都需要阴极的放电参数,所以需要通过仿真的手段模拟空心阴极的放电。COMSOL是一款多物理场耦合仿真软件,适用于模拟科学以及工程上的多种物理过程,尤其是多物理场耦合的复杂模型,可以很好的模拟阴极的放电过程中等离子放电,固体和流体传热,气体流动等多种物理场的耦合放电,并且COMSOL作为较为成熟的商用软件,本身具有便利的图形操作界面和丰富的数据库,可以大大减轻仿真程序构建的难度,提高程序建立的可行性,软件本身有较为成熟的结果显示以及保存的手段,方便的图形结果展示提高了使用者的使用便利程度。本文基于COMSOL软件建立一套航天电推进空心阴极的仿真模拟软件,软件可以阴极放电过程中的宏观放电参数,包括电压、电流、温度、气压以及微观等离子体特性参数,包括电子温度、电子密度、空间电势等进行计算,同时程序创新性的加入了对阴极振荡的模拟,可以仿真阴极在放电过程中动态的变化过程,使读者对阴极的振荡有了更加直观的理解,该软件的计算精度较高,对阴极的模拟具有较高的可信度。首先,根据空心阴极内部放电过程及其特征参数,构建了基于磁流体力学的数学模型。主要考虑了连续性方程、动量方程和传热方程,重点分析了基于电子碰撞的电离过程,并建立了相应的描述方程。由于空心阴极的结构,在不考虑磁场时,适合采用二维轴对称模型,这样可以用二维的计算方法得到三维的计算结果,所以基于现实中的阴极几何结构在软件中构建好阴极的二维模型。针对阴极等离子体放电的模拟,其放电过程主要是各种粒子的运动过程。模型中包括的粒子种类有电子,Xe原子,包括基态和激发态原子,以及一价Xe+离子。对于Xe原子及其激发态,主要为密度梯度导致的流动过程,由流体模型描述。对于电子和离子,则通过输运方程描述,其中考虑密度梯度、电场和碰撞效应。模型通过解平衡方程求粒子密度与能量。对于放电反应过程中的非电子粒子,考虑各个粒子之间的反映关系,借助麦克斯韦方程描述各粒子的扩散,每种粒子用其质量分数表示来保持整个系统质量守恒。综合这些因素,即可模拟阴极等离子体放电的过程。阴极放电过程的气体传热计算主要等离子体放电过程对中性原子气体的加热效应,根据模型自动耦合计算的温度结果即可反应气体温度的变化。阴极固体传热主要计算的是阴极主体结构上温度的分布情况。此过程的计算与等离子体放电过程的计算是高度耦合的,因为温度极大地影响发射体表面热电子发射密度,而热发射电流又极大地影响等离子体放电过程,从而又影响到等离子体对壁面的加热。真空中的传热过程主要是热传导和热辐射,数值模拟技术比较成熟,模拟精度主要取决于材料物理特性数据的精度,阴极受到的热量来源分别是等离子体中电子和离子对发射体内表面的热沉积效应。由于软件的本身具有较好的模拟模块,设置计算的模块即可。对于仿真的结果,通过真实实验结果进行验证,通过对一只实验用阴极相同参数的阴极进行仿真模拟,实验阴极为一只小功率的4-8А的电推进用La B6冷阴极,仿真程序中的阴极结构与该阴极一致,且阴极的初始参数设置也与实验阴极一致,这样可以保证得到相同条件下仿真与实验的对比结果,提高验证的说服力。对于温度、气压、电压、电流等宏观参数的验证相对较简单,常规的实验设备即可测量,对于等离子体放电的验证,则主要通过探针测量阴极羽流区内的等离子体参数比对仿真程序的结果,验证其在量级以及规律上变化趋势是否正确,经过实验结果的检验和修正,提高软件的可靠性和准确性。软件在能对阴极的稳态工作进行模拟的情况下,进一步进行阴极动态的模拟,主要用于研究阴极的振荡效应,为了能用程序模拟阴极的振荡情况,可以通过人为增加阴极的电流振荡的方式,利用程序自身耦合计算的方式,来计算阴极放电电压、电流、气压、温度、等离子体密度、中性气体密度等多种参数在振荡周期内的演化趋势,通过各个参数与振荡之间相位变化的差异,找到各个因素对振荡的意向,找到影响的核心因素,确定阴极震荡产生的机制。通过该程序对阴极振荡机理的研究,为后续抑制阴极的振荡,提高阴极的稳定性和寿命做铺垫。总的来说本文所要进行的主要工作就是建立一套有效的阴极放电仿真模拟软件,同时在软件的基础上研究阴极的振荡产生的主要原理。本文建立的软件考虑阴极的放电过程中的因素更加全面,耦合计算的结果更加精确且具有实验的验证,软件本身操作简单明了,计算结果相对较快,仿真的结果更加的直观,容易被读者接受,在后续研究的过程中更加方便容易。且软件具有较高的适用性,对于不同功率和结构的阴极,只需更改几何模型和参数输入即可进行仿真模拟,程序本身的可靠性也比较高。作者希望激发读者对类似的阴极仿真程序和基于程序解决阴极问题的方法的兴趣,以解决一些阴极在使用过程中遇到的不容易通过传统实验手段解决的问题。作者所在课题组还将在本文研究工作的基础上对阴极由于振荡产生其他问题进行更加深入的研究,进一步提高阴极的寿命和工作的可靠性,并尝试对程序的使用用途进行拓展,尽可能的提高程序的计算精度和准确性,简化程序的使用方法,力争实现阴极类型的等离子体源的模拟方法的推广。本文主要分为四个部分。第一部分对研究背景和动机进行介绍。在详细介绍文章课题的来源之后,将对电推进用的空心阴极基本的工作原理和研究现状以及阴极的仿真过程进行简单的描述,以便于读者的理解。第二部分将就阴极的COMSOL仿真模型构建过程进行描述。按照作者设计的章节顺序进行阅读将有助于读者更清楚地了阴极仿真模型构建的关键问题。第三部分是对阴极稳态仿真结果的展示,并通过与阴极真实实验结果的比对,验证仿真程序的可靠性。第四部分主要对阴极振荡仿真结果的展示,并解释阴极振荡产生的机理。最后对整体的结果记性综合的整理分析,对文章的主体进行总结。