場(chǎng)致發(fā)射電推力器工作性能及其發(fā)射機(jī)理研究.pdf

1、傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)比沖低、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，極大地限制了它在微小衛(wèi)星上的應(yīng)用?；谝簯B(tài)金屬離子源的場(chǎng)致發(fā)射電推力器是一種靜電式電推力器，具有推力小、比沖高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制、定位控制、航天器電位控制、軌道轉(zhuǎn)移和提升、軌道修正、阻力補(bǔ)償?shù)热蝿?wù)。本文在國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，研制了場(chǎng)致發(fā)射電推力器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并對(duì)這一新型電推力器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及理論研究。
　　研制了包括控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)及推力器本體在內(nèi)的針型銦場(chǎng)致發(fā)射電推力

2、器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，以此為基礎(chǔ)研究了場(chǎng)致發(fā)射電推力器的工作性能。該樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了推力器的發(fā)射極到吸極垂直距離、工作電壓等參數(shù)可調(diào)。在推力器關(guān)鍵部件制作上，采用微細(xì)電化學(xué)方法加工頂點(diǎn)半徑2-5μm的發(fā)射針，并進(jìn)行表面粗化、超聲及化學(xué)清洗以及浸潤(rùn)處理，制備出FEEP用發(fā)射極。建立了包括發(fā)射電流、電壓檢測(cè)、微推力測(cè)量的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。針對(duì)場(chǎng)致發(fā)射電推力器推力小(<0.01mN)的特點(diǎn)，采用薄懸臂梁對(duì)場(chǎng)致發(fā)射電推力器的推力進(jìn)行了測(cè)量。
　　場(chǎng)致發(fā)射電推力器

3、的發(fā)射系統(tǒng)是推力器的核心，而發(fā)射極頂點(diǎn)附近的電場(chǎng)強(qiáng)度是影響FEEP性能的關(guān)鍵因素之一。本文從改進(jìn)的動(dòng)態(tài)流柱模型出發(fā)，詳細(xì)描述了以半橢球取代半球作為發(fā)射極頂點(diǎn)的形狀表達(dá)，并基于該模型與吸極尺寸關(guān)系，運(yùn)用基于增長(zhǎng)網(wǎng)格劃分的有限差分法對(duì)極間的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，得出發(fā)射初期的極間電場(chǎng)主要受到發(fā)射極頂點(diǎn)半徑的影響，而吸極到發(fā)射極的距離以及吸極內(nèi)半徑對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度影響較小的結(jié)論。
　　本文將場(chǎng)致發(fā)射電推力器的運(yùn)行劃分為液態(tài)金屬的發(fā)射和補(bǔ)充兩個(gè)并

4、行的過程，通過對(duì)這兩個(gè)過程的理論建模及詳細(xì)描述，提出了場(chǎng)致發(fā)射電推力器運(yùn)行過程中液態(tài)金屬發(fā)射與補(bǔ)充平衡的穩(wěn)定工作狀態(tài)，即液態(tài)金屬通過場(chǎng)蒸發(fā)作用發(fā)射出去的速率與液態(tài)金屬不斷流向頂點(diǎn)的速率相等。進(jìn)一步研究了維持穩(wěn)定發(fā)射的最小發(fā)射電流狀態(tài)，并且發(fā)現(xiàn)，延長(zhǎng)推力器壽命的有效方法之一就是將推力器運(yùn)行在最小發(fā)射電流狀態(tài)，并根據(jù)穩(wěn)定狀態(tài)的平衡條件，初步獲得了最小發(fā)射電流的估算模型。
　　在研制場(chǎng)致發(fā)射電推力器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及其測(cè)試平臺(tái)上開展了大量實(shí)驗(yàn)，

5、主要包括樣機(jī)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)以及最小發(fā)射電流模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等。在驗(yàn)證了FEEP原理樣機(jī)正確性的基礎(chǔ)上，開展了FEEP樣機(jī)的伏安發(fā)射特性測(cè)試，驗(yàn)證了推力器的設(shè)計(jì)參數(shù)如工作電壓、發(fā)射電流、發(fā)射針頂點(diǎn)半徑、發(fā)射極到吸極垂直距離等與伏安特性的關(guān)系，與此同時(shí)還進(jìn)行了伏安特性與性能參數(shù)如推力、質(zhì)量效率、比沖等的關(guān)系實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了性能模型的合理性。對(duì)場(chǎng)致發(fā)射電推力器的最小發(fā)射電流狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　針對(duì)場(chǎng)致發(fā)射電推力器的工作性能及發(fā)