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真空放电脉冲等离子体推进器的研制

真空放电脉冲等离子体推进器的研制

作者：姜希涛北京交通大学

学位级别：硕士

近年来,随着各领域科技水平的进步,体积小,质量轻、研发成本低的微纳卫星得以快速发展。而电推进系统有着比冲高、推进效率高、成本低等优点,已经成为微纳卫星推进器的重要选择之一。真空脉冲金属离子等离子体推进器是一种通过烧蚀阴极... 详细信息

近年来,随着各领域科技水平的进步,体积小,质量轻、研发成本低的微纳卫星得以快速发展。而电推进系统有着比冲高、推进效率高、成本低等优点,已经成为微纳卫星推进器的重要选择之一。真空脉冲金属离子等离子体推进器是一种通过烧蚀阴极金属材料产生等离子体从而形成推力的新型电推进器,其结构简单、可靠性强。然而,目前真空放电等离子体推进器存在诸多问题,包括等离子体密度低、喷射性能差、羽流污染严重等,从而严重影响了推力的产生。因此,需要对金属离子等离子体推进器的放电特性及新型电极结构的研制做进一步的探究,提升其等离子体的生成及喷射性能,进而增强推力。本文以真空脉冲金属离子等离子体推进器为基础,进一步分析了其放电特性,并且设计了一款新型的薄片式叠层电极结构。同时基于该电极结构,采用ansys建模仿真和等比例的实物放电等方式,对其进行理论分析。然后,通过改变结构参数和电路参数进行放电实验,对测量的电参数以及等离子体参数进行比较,分析变化产生的原因,最终掌握其放电规律,并利用规律进行性能上的优化。首先,采用内外分段阳极结构,探究峰值电压维持时间和阳极电子吸收量对等离子体生成及喷射特性的影响。实验证明,在一定范围内,峰值电压持续时间的增加能够有效提高等离子体的生成及喷射特性,并且通过限制带电粒子流入内阳极,能够进一步改善放电特性。然后,基于实际应用,提出了薄片式叠层电极结构,该电极仅通过结构设计便能实现低电压放电。然后与传统电极结构进行对比,分析了其在高脉冲电压下的放电特性。通过改变薄片式叠层电极阴极和阳极的结构参数,探究参数对于该结构放电特性的规律性变化。发现,阳极喷射性能与阳极裸露面积及其近旁空间体积大小有关,并且通过限制带电粒子流入阳极会减弱阳极喷射特性。阴极裸露面积和阴极附近空间体积的减小,能够显著提高等离子体的喷射性能,增强带电粒子的运动能量。并且,阴极与喷口间的距离增加,等离子体定向运动能力得到增强,射流变长。最后,研究了低放电电压情况下薄片式叠层电极的放电特性。通过改变放电回路的参数,包括储能电容器容量和电感值,探究电路参数变化对电流波形的影响,进而分析对等离子体放电特性的影响。

关键词：真空放电金属离子等离子体推进器峰值电压维持时间薄片式叠层电极低电压放电

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星载产品开机后的内部压力变化仿真研究

真空科学与技术学报 2024年

作者：崔寓淏孙立臣窦仁超史纪军齐嘉东毕海林王文丙北京卫星环境工程研究所合肥工业大学机械工程学院

气体压力作为星载大功率产品开机运行的一个重要参数，会影响到产品的安全和在轨寿命。由于星载大功率产品开机后温度升高，部件放气会发生压力反弹现象，对产品安全带来隐患。本文从材料释气和内部气体扩散浓度随温度变化关系研究入手... 详细信息

气体压力作为星载大功率产品开机运行的一个重要参数，会影响到产品的安全和在轨寿命。由于星载大功率产品开机后温度升高，部件放气会发生压力反弹现象，对产品安全带来隐患。本文从材料释气和内部气体扩散浓度随温度变化关系研究入手，基于某星载产品开机供电后温升引起的材料脱附气体增多，以烘烤温度，烘烤时长和静置的情景作为边界条件，计算了分子流状态下产品开机前后内部压力变化情况，并进行数值模拟。本文为星载产品空间环境下开机运行压力变化预估以及开机后是否存在安全隐患提供理论依据。

关键词：真空度航天器真空放电压力预测

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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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

作者：张文俊北京交通大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：真空放电金属等离子体推进器阳极电参数阳极带电位多电极同时放电

同轴电极结构下真空放电等离子体生成及传播特性(英文)

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强激光与粒子束 2013年第8期25卷 2111-2116页

作者：刘文正王浩北京交通大学电气工程学院北京100044

采用放电电流为100～300 A、持续时间为13μs的单脉冲电源,设计了两种同轴电极结构作为放电阳极,分别为筒状电极、喷嘴状电极。利用MAXWELL 3D电场仿真软件对两种电极结构下的电场分布进行了仿真分析,并采用探针法对放电生成的等离子体... 详细信息

采用放电电流为100～300 A、持续时间为13μs的单脉冲电源,设计了两种同轴电极结构作为放电阳极,分别为筒状电极、喷嘴状电极。利用MAXWELL 3D电场仿真软件对两种电极结构下的电场分布进行了仿真分析,并采用探针法对放电生成的等离子体的参数进行了测量,分析讨论了同轴电极结构对真空放电等离子体生成特性的影响。选取喷嘴状电极结构作为阳极,分别测量了采用铅、铝、铜三种材质的阴极时生成的等离子体的扩散速度及能量。实验与仿真结果表明:当阳极为喷嘴状电极时阴极尖端的电场强度较大,测得放电电流较大,击穿电压较低,等离子体密度也较大;采用铝材质阴极时生成的等离子体扩散速度最快,采用铅材质阴极时生成的等离子体的离子动能最大。

关键词：电极结构真空放电朗缪尔探针法等离子体密度离子动能

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真空放电射流金属等离子体生成特性研究

真空放电射流金属等离子体生成特性研究

第十八届全国等离子体科学技术会议

作者：田甲崔伟胜刘文正北京交通大学

真空放电生成的金属离子等离子体具有与气体放电等离子体完全不同的性质。一般来说,真空放电中由阴极金属释放出的金属离子等离子体会在阴极近旁正的高电位的作用下向四面八方运动。如果能够使真空放电生成的等离子体往一个方向喷射,就... 详细信息

真空放电生成的金属离子等离子体具有与气体放电等离子体完全不同的性质。一般来说,真空放电中由阴极金属释放出的金属离子等离子体会在阴极近旁正的高电位的作用下向四面八方运动。如果能够使真空放电生成的等离子体往一个方向喷射,就可以形成用于微小卫星姿态调整的推进器。因此,我们提出了一种带有绝缘层的锥-筒放电电极结构。这种电极结构能够通过绝缘套筒的束缚作用,在高真空条件下形成了定向稳定喷射的金属离子等离子体。本研究通过仿真软件分析了带有绝缘层的锥-筒放电电极结构的电场分布特征;通过放电实验验证了喷射形金属离子等离子体的形成;讨论了绝缘套筒直径、绝缘套筒长度、阴极材料(铅、铝)等参数的变化对射流等离子体特性的影响。结果表明,采用较细、较长绝缘套筒的电极结构,可以提高阴极近旁的等离子体密度,增加射流等离子体的运动速度以及喷射长度。研究结果为真空金属离子等离子体推进器的研究提供了有力的支持。

关键词：金属等离子体射流真空放电生成特性

来源： cnki会议评论

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非均匀电场条件下的真空放电现象

真空电器技术 1999年第3期 38-47页

作者： Okubo,H 何艳玲

为了空间电力应用的发展，需要对中、低真空中、特别是非均匀电场下的放电现象进行分析。虽然这种条件下的数据对空间电力装置的绝缘设计至关重要，但是很少有这方面的研究报告。

关键词：真空放电气体放电非均匀电场

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电流过零后真空放电时等离子区密度的误差

真空电器技术 2000年第2期 37-48页

作者： Duning,G 张蔚平

了解电流过零前后的物理过程及对这些物理过程进行模拟的一些知识，对于灭弧室向高开断能力、高电压方向发展是十分重要的。电流过零后的一个重要特点是，电弧间隙有一个以大电流等离子区的导电状态向冷态间隙的绝缘状态恢复的过程。同... 详细信息

了解电流过零前后的物理过程及对这些物理过程进行模拟的一些知识，对于灭弧室向高开断能力、高电压方向发展是十分重要的。电流过零后的一个重要特点是，电弧间隙有一个以大电流等离子区的导电状态向冷态间隙的绝缘状态恢复的过程。同在其他开断介质中一样，电流过零时开断间隙中依旧存在等离子区，该等离子区经过一些时间重新组合后会消失。在瞬态恢复电压（ＴＲＶ）影响下，弧后电荷与弧后电流相关。

关键词：真空断路器真空放电等离子区密度电流过零

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第15届国际真空放电及绝缘会议概况

国际学术动态 1994年第2期 37-39页

作者：王秀梅

等离子体物理实验装置(GBH-1)中95瓷真空放电室用粘结剂选择和粘结工艺

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真空科学与技术学报 1985年第6期 69-73页

作者：徐贵昌李大万中国科学院物理研究所

等离子体物理实验研究用的GBH-1装置是一个高比压快速磁压缩装置。此装置的核心部件之一的真空放电室是一种用非金属材料——95氧化铝陶瓷制成的。由于该真空放电室是大尺寸、厚壁、拉长截面的环,整体制造是困难的,只能烧制成多节的内... 详细信息

等离子体物理实验研究用的GBH-1装置是一个高比压快速磁压缩装置。此装置的核心部件之一的真空放电室是一种用非金属材料——95氧化铝陶瓷制成的。由于该真空放电室是大尺寸、厚壁、拉长截面的环,整体制造是困难的,只能烧制成多节的内环和外环,再用特制的粘结剂粘结而成。本文主要介绍如何选择粘结剂和粘结工艺以及真空放电室残余气体质谱分析的结果。

关键词：真空放电残余气体物理实验装置 GBH-1 等离子体粘结工艺