微阴极电弧推力器羽流探针诊断研究

微阴极电弧推力器(micro-cathode arc thruster,μCAT)具备功率低和结构简单的特点,能够满足微纳卫星的任务需求,具有良好的发展前景。μCAT羽流的诊断可以揭示推力器的加速机理,对提高其性能具有重要意义。利用朗缪尔三探针对μCAT羽流进行诊断,得到了μCAT羽流不同位置的电子温度、电子密度和离子速度等羽流特性,研究了外加磁场、充电时间和阴极材料对羽流特性的影响。研究结果表明,μCAT放电初期产生的等离子体电子温度较高,密度较大;随着等离子体向下游运动,电子温度和电子密度降低,离子速度增大;外加磁场的磁感应强度越强,电子温度和离子速度越高,电子密度有所降低;磁场位置适当向推力器下游平移,能够有效提高推力器中轴线的电子密度;μCAT充电时间越长,电子温度、电子密度和离子速度越大;相比于CuW和AgW阴极,Ti阴极羽流的电子温度更高,电子密度更低。

微阴极电弧推力器导电薄膜状态实验研究

为填补微阴极电弧推力器(Micro Cathode Arc Thruster,μCAT)导电薄膜状态有效评估手段的缺失,深入研究导电薄膜退化规律,本文基于四探针电阻率测试理论和尺寸效应拟合模型,建立了μCAT推力器导电薄膜状态表征方法,运用该方法探究了不同放电次数下样机薄膜参数的变化规律。研究表明随着放电次数的增加,薄膜电阻率上升,薄膜特征厚度减小,受二者变化的影响,薄膜电阻呈现指数上升趋势,其中厚度变化的影响大于电阻率的影响。对于金属Ti薄膜,块状电阻区和尺寸效应区的分界线在2μm左右,厚度大于5μm时推力器会由于短路失效,厚度处于0.012~2μm时为推力器的稳定放电区,这一区域处于尺寸效应区且电阻持续上升,当厚度小于0.012μm时薄膜电阻超过1000Ω并急剧上升直至推力器断路失效。导电薄膜状态评估方法是将实验测量数据和理论模型相结合计算得到导电薄膜的状态参数,通过实验验证了其有效性,可以为未来通过导电薄膜状态表征来评估μCAT寿命提供技术支持。

微阴极电弧推力器放电特性试验研究

微阴极电弧推力器(μCAT)具有体积小、重量轻、功耗低、比冲高等优点,使其逐渐在越来越多的微纳卫星推进系统中被采用。目前,寿命是制约μCAT走向工程化应用的关键因素,而μCAT放电特性决定着其工作寿命及可靠性,因此对其放电特性开展研究,对于μCAT的设计具有重要意义。本文搭建了能够自动采集放电数据和记录点火次数的μCAT寿命试验系统。对其放电特性数据进行了分析,发现基于击穿电压和峰值电流的寿命变化规律可以分为起始段、稳定段、失效段等三个阶段,并建立了相应的数学模型,提出了当峰值电流下降到初始峰值电流的80%时μCAT失效的判据。

积碳部位对脉冲等离子体推力器点火可靠性的影响研究

脉冲等离子体推力器(PPT)作为最早的电推进装置之一,具有体积小、重量轻和比冲高等优点,其点火可靠性是寿命试验中的重要参数之一。试验发现,点火产生的积碳通常发生在工质以及样机放电通道内的部件上,对点火可靠性有着重要影响,因此,本文开展了工质、绝缘陶瓷片、阴阳极板以及火花塞等PPT部件积碳状态对点火可靠性的影响机理研究。研究中利用PPT点火试验和超声清洗获得了不同积碳状态的试验件,在750~1500 V范围内进行试验。试验结果表明,除个别电压条件外,工质表面、火花塞和极板上的积碳均会导致放电延迟时间的增加,而陶瓷片上的积碳会导致放电延迟时间的减小,从影响程度看,工质表面的积碳对于放电延迟时间的影响最为明显。

微阴极电弧推力器放电寿命特性研究

微阴极电弧推力器(micro-cathode arc thruster,μCAT)在微纳卫星空间任务中有良好的应用前景,但寿命问题是目前制约其发展的重要因素。研制了自动数据采集系统,进行了不同放电频率下全寿命试验,观察分析了失效后阴极材料及导电薄膜的形貌变化。研究结果表明:推力器工作初期,放电特性为不稳定阶段,该阶段在μCAT的全寿命占比小于10%。薄膜电阻放电前期相对稳定,为百欧量级,在临近失效时迅速升高至千欧量级,峰值电流在临近失效时急剧下降直至失效。放电频率升高会使阴极坑区域热量累积,增强了导电薄膜破碎程度,导致推力器提前失效,寿命降低。电弧烧蚀位置分布不均匀,导致阴极利用率降低,是制约μCAT寿命的重要因素。