电动力绳系是一种新型的空间推进系统,它能够利用地球外围空间磁场和等离子层环境实现在无需或极少需要推进剂的条件下就产生推力,特别适合执行空间碎片降轨销毁任务。使用导电裸线绳的表面接收地球等离子体层中的电子以及空心阴极接触器发射电子来形成闭合耦合电流的裸线电动力绳系。由于具有结构重量轻、耦合电流效率高等优点近几年成为了电动力绳系统的研究热点。但是目前关于裸线电动力绳系的研究大多数主要关注绳系动力学及其控制策略,这些研究主要采用简化的理论模型进行裸线电动力绳的耦合电流和洛伦兹力计算,未能考虑阴极发射电流特性、真实地球磁场环境、等离子体层参数分布等对裸线电动力绳系洛伦兹力及降轨性能的影响,因而不能全面真实反映裸线电动力绳的实际空间情况,也缺乏对裸线电动力绳在真实空间环境下洛伦兹力特性的完整分析与研究。本文主要研究了空心阴极发射电流特性,并建立了基于真实空间环境下包括裸线接收电子过程、空心阴极发射电子过程、耦合闭环电流产生、轨道动力学、磁力线切割等主要物理过程模型的复杂多场耦合物理模型,采用仿真方法研究了基于空心阴极的裸线电动力绳在真实空间条件下的降轨过程及洛伦兹力特性。论文的主要研究内容如下:1.建立了电动力绳(Electrodynamic Tether,简称EDT)系统降轨过程模型。在轨道动力学模型中,采用哑铃模型描述裸绳系系统,并建立了基于该模型的电动力绳系动力学方程和轨道摄动方程;在洛伦兹力的计算模型中,采用了真实的地球磁场模型、等离子层模型、大气模型(考虑了大气阻力),建立了基于上述真实空间环境的裸导电绳系吸收电子过程、空心阴极发射电子过程的一阶微分方程求解EDT的裸绳系表面电势分布和耦合电流大小,并最终可以计算裸线电动力绳系统在变轨过程中的洛伦兹力变化及特性。2.空心阴极发射电子特性及其与环境的交换电荷过程对裸线绳系能产生的耦合电流大小及绳系的性能至关重要,侧重对空心阴极发射电流特性开展了理论分析及地面真空舱实验。在理论分析方面,采用了空心阴极的一维电流发射模型分析了空心阴极产生的等离子体团自由膨胀与空间环境交换电荷过程,同时利用该模型分析得到了影响空心阴极接触器C-V曲线(发射特性)的主要参数;并得到了进行地面实验时,为能客观反映无限大真空环境下空心阴极发射特性,真空舱直径应满足的最小尺寸准则。根据上述理论分析,选用了合适的真空舱并搭建了空心阴极接触器的地面实验平台。利用该实验平台测量得到了空心阴极接触器交换电荷过程中典型等离子体团射流电势结构、C-V曲线;得到了主要工况参数对空心阴极接触器发射特性的影响规律;实验测量结果与模型预测的变化趋势吻合。3.开发了一套可用于仿真EDT降轨的MATLAB仿真工具,利用该仿真工具考察了主要物理过程、工况参数对耦合电流大小及洛伦兹力特性的影响。仿真结果表明地球磁场虽然在赤道平面内强度小,但是由于正交切割磁场线,洛伦兹力相比高倾角的情况反而较大;不同的空心阴极接触器偏置电压下,EDT所处的轨道倾角越大洛伦兹力特性的差异性越大,因此在高倾角处轨道的计算中不能简单地假设阴极的偏置电压为常数,否则计算结果将和实际情况存在较大偏差。同时利用该仿真工具还将电动力绳降轨和传统化学推进降轨进行了对比,评估了采用EDT系统降轨可节约的推进剂量及可能带来的系统质量优势。