真空放电金属等离子体推进器的阳极特性及推进性能的研究

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金属等离子体推进器是一种利用真空电弧烧蚀阴极金属材料产生的金属等离子体作为推力源的电推进器,具有体积小、质量轻、可靠性高等特点。而目前真空放电生成的等离子体源的喷射性能较差,包括等离子体密度较低,运动能量较小,导致推进器形成的推力相对较小,实际应用受到限制。因此,研究新型、高效的金属等离子体推进器,探究能够有效提高等离子体特性和推进性能的新型推进方式具有重要意义。本研究主要以金属等离子体推进器为研究对象,采用理论分析、仿真模拟以及设计实验的方法,探究了推进器的阳极特性对放电特性、等离子体生成特性及推进性能的影响。首先,针对推进器的阴极生成的带电粒子大部分运动到阳极,造成带电粒子利用率低、喷射性能差、推力小的问题,设计了分别具有阳极电阻、阳极电感和阳极电容的三种放电回路,并采用Matlab/Simulink仿真软件对三种放电回路的放电过程进行仿真电路等效,最后通过基于PVDF压电薄膜传感器的推力测量系统对推力和推力-功率比进行测量。结果表明:在真空脉冲放电中,通过改变阳极电参数能够在时间上控制阳极带电粒子的吸收量,影响阴极Hump建立,使更多的带电粒子沿绝缘套筒喷口轴向喷射,有效提高了金属等离子体射流的喷射性能和推进性能。特别是与传统的推进器的阳极直接接地相比,采用阳极电容放电回路(C为100pF)的推进器生成的推力峰值和推功比峰值分别提高了7倍和9.4倍。其次,为了从根源上提高等离子体的生成量,增大推进器的推力,提出了一种同时在阴极和阳极加电压的方式,并讨论了阳极电位幅值、极性的影响。结果表明:采用在阴极侧施加脉冲电压,阳极侧施加直流电压的方式,能够维持电极长时间放电,等离子体持续生成,从根源上提高了等离子体的数量。相比传统的只在电极一侧加电源的方式,同时在阳极加DC电源使推进器的推力峰值从μN级提高到了mN级。最后,针对真空放电不容易形成多个电极同时放电的现象,提出采用绝缘阳极电极结构进行在一个电源下的多个电极放电实验,并探究了电极间距和电容容量的影响。结果表明:正是由于绝缘阳极结构的放电电压在经过一段时间之后才降低至电弧维持电压,多个电极同时放电才能够实现。多个电极同时放电可以提高等离子体生成量。在单次脉冲中,相比单电极推进器,多电极推进器的推进性能更好,推力峰值和推功比峰值分别提高了2倍和2.4倍。
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