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。

微阴极电弧推力器平板电极放电特性实验研究

微阴极电弧推力器(μCAT)具有比冲高、元冲量小、结构简单等优点,在微纳卫星任务中具有广阔的应用前景。在实际应用中随着推力器点火次数的增加,导电涂层退化不断加剧,导致推力器的性能降低甚至失效,成为制约推力器应用进一步拓展的关键因素。本文采用平板电极结构开展微阴极电弧推力器放电特性及失效机理实验研究,结果表明:在全寿命周期内,电极之间放电形成的电弧分布的演化可以分为四个阶段:集聚型、扩散型、分散型和近失效型放电阶段,主导放电特性变化的主要因素是阴极的烧蚀和涂层的退化。在推力器接近失效时,弧电压大幅升高,弧电流明显降低,单次放电时间进一步缩短,电极间电阻出现陡增,抑制了微阴极电弧的产生和发展。在本文实验工况下点火次数达到69万次,推力器失效,此时阴阳极之间的电阻陡增为153kΩ。对真空条件下电极之间放电特性的时空演变进行分析,有助于明晰推力器失效机理,为提升推力器的寿命和性能提供依据。

高总冲微阴极电弧推力器实验研究

为提高微阴极电弧推力器(μCAT)的总冲,本文提出了一种圆柱形推力器结构设计,增加了推进剂的填充空间。由于结构发生了较大的变化,本文对新型μCAT在不同工作点下的性能进行了研究。在实验工作中采用扭摆测力台架测量实际推力,采用了数字滤波的方法消除了推力器点火对测力台架传感器信号的干扰。本研究使用了新研制的大功率可调电源,测试了电源功率、放电频率、外加磁场强度对推力的影响,探究了铜、钨、钼阴极的特性。当输入功率较小时,铜是理想的阴极材料,且该条件下,对于这三种金属,推力与放电频率均呈负相关性。可通过外加磁场增加圆柱形μCAT的推力,但是采用钼阴极时,过高的磁感应强度会造成推力下降。

微阴极电弧推力器工作性能影响因素研究

采用试验方法研究了微阴极电弧推力器中峰值放电电流及外加磁场对其推力、比冲、寿命的影响规律。试验结果表明:峰值放电电流增加,阴极烧蚀量增加,元冲量增大;相比于较低的峰值放电电流(10A),更高的峰值放电电流(40A)可延长推力器的工作寿命;外加磁场增强,推力器喷射等离子体轴向速度增大,比冲增加。

微阴极电弧推力器磁路设计

微阴极电弧推力器是一种利用真空条件下放电电弧烧蚀阴极材料产生较高电离度的高速等离子体,并在外加磁场作用下喷出以产生推力的微型电推力器。微阴极电弧推力器磁场设计是推力器设计中的重要工作之一,将影响推力器工作稳定性和工作性能。分别采用多匝通电螺线管计算公式、二维和三维数值仿真完成磁路设计,磁感应强度随线圈电流和线圈匝数增加而变大;当线圈电流15A、线圈匝数为600匝时,放电通道中心线磁感应强度最大值超过0.3T;采用特斯拉计测量磁感应强度,仿真结果与测量结果吻合较好。最后采用时间飞行法(TOF)测得等离子体速度随磁场增强而增加。

微阴极电弧推力器研究进展

介绍一种适用于微纳卫星的新型微电推进方式——微阴极电弧推力器,其利用真空条件下放电电弧烧蚀阴极材料产生较高电离度的高速等离子体喷出产生推力,并利用外加磁场聚焦等离子体以减小羽流扩散角、提高比冲。总结了国外相关机构大量的研究工作,并实现了在轨验证。北京控制工程研究所及其研究团队已攻克了阴极工质均匀烧蚀、低电压放电击穿、磁场设计等关键技术,完成原理样机点火验证工作,并采用实验手段研究磁场对推力器影响;采用PIC/MCC方法开展数值仿真,获得推力器内部及羽流区相关参数分布,对其工作过程及工作机理开展研究,为工程应用奠定了基础。

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。

微阴极电弧推力器放电特性研究

相对于大型卫星,微纳卫星具有模块化、发射灵活、可编队飞行等特点。微阴极电弧推力器(μ-CAT)是一种适用于微纳卫星的推进装置,具有体积小、质量轻、功耗小等特点。本文分析了μ-CAT的工作原理,对推力器结构进行了设计,并利用高真空电推进实验平台,完成了对推力器放电特性实验装置的搭建。在高真空条件下对μ-CAT进行了点火试验,测试了推力器放电时的伏安特性曲线,分析了单脉冲周期的电压电流变化规律。随后分别在有无外加磁场的条件下,采用法拉第探针测量了μ-CAT等离子体离子电流空间分布情况,实验结果表明磁场具有减小等离子体羽流发散角的作用。研究工作可为后续推力器放电参数优化设计和羽流测量工作提供理论指导。

同轴微阴极电弧推力器的粒子网格法数值模拟

采用粒子网格(Particle-In-Cell,PIC)方法对同轴微阴极电弧推力器(μCAT)工作过程进行了模拟研究,并应用自相似方法对模型进行简化,获得了推力器羽流区的电子数密度分布、离子数密度分布、电势分布及离子轴向平均速度,通过改变磁感应强度和位形分析磁场对推力器内等离子体运动特性及推力器性能的影响。计算结果表明,电子被外加磁场捕获约束在磁力线附近,低速离子与高速电子形成的双极扩散电场加速离子喷出;在相同流量情况下,磁感应强度0.02T时,离子返流严重,磁感应强度0.05~0.30T时,磁感应强度变化对速度影响较小;磁场位形对离子运动和推力器性能有较大影响,磁力线与轴线夹角较小时离子速度下降明显,夹角较大时离子返流严重。

同轴型微阴极电弧推力器的设计及性能测试

为了给微纳卫星在轨动作提供合适的推力,研制了一种同轴型微阴极电弧推力器(CA-μCAT),采用同轴布置的棒状阳极和圆筒形阴极,利用真空环境下电弧放电产生的高温烧蚀金属阴极,电离产生等离子体,并在多物理场耦合作用下高速喷出推力器产生推力。文章分别对该推力器的放电特性、推进剂烧蚀速率、等离子体离子电流、元冲量等多个参数进行了测量与分析。结果表明,该推力器能够持续稳定点火运行,电离率在4%～7%;无外加磁场下,元冲量和比冲分别为0.485μN·s和195.6 s;在磁感应强度为0.044 T时,元冲量和比冲分别为1.285μN·s和518.2 s;平均推力在10μN量级。

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。

微阴极电弧推力器的设计与试验

微阴极电弧推力器具有体积小、重量轻、功耗低、比冲高等优点,是微纳卫星空间推进的理想选择。为了研究其关键特性以及基本性能,设计了一套环形微阴极电弧推力器样机,包括推力器本体和功率处理单元。高速摄影对推力器点火的观测验证了磁场存在时阴极斑点的旋转,并获得了阴极斑点旋转速度与磁场强度的关系。通过飞行时间法、打靶法分别对离子速度、元冲量进行了测量,测量结果表明:推力器出口离子的轴向平均速度在15~30km/s,没有磁场时,元冲量为0.132μN·s,磁场强度为0.0457T时,达到0.262μN·s,推力器平均推力大小在μN量级。通过研究得到:微阴极电弧推力器烧蚀均匀,性能易于调节,适用于微纳卫星。

影响环形微阴极电弧推力器寿命的因素研究

为了研究影响环形微阴极电弧推力器寿命的因素,首先分析了可能的因素,接着通过试验研究了电流参数对阴阳极间电阻的影响,不同功率下的推力器热性能以及功率大小对绝缘体腐蚀的影响。试验结果表明,为了延长推力器的寿命,需要控制推力器较大的放电电流,使得阴阳极间电阻动态平衡,维持在0.5~10 kΩ;需要选择合适的放电功率,功率阈值应考虑各部件材料的高温承受能力;另外,绝缘体的腐蚀是制约推力器寿命的主要因素,降低放电功率有助于减缓该腐蚀。

微阴极电弧推力器研究进展

微纳卫星的迅猛发展,给推力器带来了新的挑战。微阴极电弧推力器由于体积小、重量轻、功耗低、比冲高等优点,正逐渐成为微纳卫星推进系统的重要候选技术。本文介绍了微阴极电弧推力器的工作原理和应用优势,从实验、仿真到应用全面叙述了国外研究进展,并分析了其关键技术,最后对该推力器的应用前景和发展方向进行了展望。

微阴极真空电弧点火起弧及加速机理研究综述

微阴极真空电弧推力器具有结构简单、重量轻、功耗低、比冲高等优点,因而在航天推进领域有着广阔应用前景.当前推力器设计研制、可靠性和寿命的提高等方面遇到的一些关键问题均与微阴极真空电弧放电过程的基本物理问题密切相关.对微阴极电弧推力器运行中涉及的电子发射、电极间起弧过程、阴极斑点形成及特点、烧蚀和形貌变化、电极间等离子体射流加速过程进行了梳理,相关认识可以为今后进一步开展微阴极电弧推力器的设计优化、性能提高奠定基础.

面向μ-CAT的真空沿面电弧放电及烧蚀产物特性

针对微阴极电弧推力器(μ-CAT)应用开展了真空沿面电弧放电过程和产物特性研究,结合放电参数、辐射光谱和高速图像诊断,研究电脉冲作用下放电等离子体形成和演变过程,分析不同磁场下等离子体通道和羽流时空演化规律;收集喷溅产物进行形貌分析,对比不锈钢和钛电极下放电烧蚀产物的宏、微观特性。结果表明,放电起始于“电极−真空−涂层”的三结合点,随后涂层局部放电形成沟通两电极的沿面放电通道;外施100 mT量级的磁场能够改善放电连续性和羽流形貌(发光截面可达无磁场时的2倍);放电结束后,电极热产物喷射过程可持续50~60μs,且阴、阳极存在差异。从收集到的喷溅产物来看,金属电极材料的沉积以均匀分布的纳米颗粒为主,而电极上方Si片沉积呈现微米级无定形石墨形貌。电极烧蚀典型喷溅产物和熔池特征受到电极材料的影响,不锈钢相对于钛电极的产物粒径及电极烧蚀坑尺径更大。因此,磁场、电极材质对真空沿面放电过程及产物形貌有一定影响,从而对μ-CAT性能产生影响。