微弧陰極放電推力器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試.pdf

1、隨著微納衛(wèi)星的發(fā)展，微推進(jìn)系統(tǒng)的研究越來(lái)越受到關(guān)注。微弧陰極放電推力器（Micro-Cathode Arc Thruster，μ-CAT）是一種基于真空電弧放電激勵(lì)并加速等離子體噴出產(chǎn)生推力的新型電推進(jìn)，該推力器具有體積小、重量輕、比沖高、功耗小等性能優(yōu)勢(shì)，在微納衛(wèi)星領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文詳細(xì)分析了μ-CAT的工作原理。該推力器系統(tǒng)主要包括推力器頭部（Thruster Head）、功率處理單元（Power Proces

2、s Unit，PPU）、磁路系統(tǒng)（Magnetic system）三部分，其工作原理：推力器依靠功率處理單元PPU對(duì)直流輸入電壓進(jìn)行脈沖升壓處理，得到脈沖高電壓，激發(fā)推力器頭部電弧放電產(chǎn)生等離子體，等離子體在外加磁場(chǎng)的作用下加速噴出推力器，從而獲得推力。本文在相關(guān)理論指導(dǎo)下對(duì)μ-CAT系統(tǒng)各部分子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研制，該推力器整體重量不超過(guò)300g，體積大小不超過(guò)1U（10cm×10cm×10cm）。本文基于高真空電推進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并搭

3、建了一套μ-CAT地面實(shí)驗(yàn)裝置，包括放電參數(shù)測(cè)量裝置、推力器羽流測(cè)量裝置等。在高真空下開展性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，通過(guò)示波器記錄推力器放電特性曲線，獲得放電電流、放電電壓、放電時(shí)間等性能參數(shù)。利用自制探針檢測(cè)推力器產(chǎn)生的羽流，獲得推力器噴出等離子體離子速度，獲得推力器的比沖；使用多個(gè)法拉第探針測(cè)量羽流離子電流空間分布，獲得推力器羽流分布。
　　本文通過(guò)對(duì)推力器實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理，總結(jié)出微弧陰極放電推力器性能特點(diǎn)及相關(guān)參數(shù)。根據(jù)推力器

4、的羽流觀測(cè)結(jié)果，可以看出同軸型電極結(jié)構(gòu)有利于等離子體的噴出。實(shí)驗(yàn)后的陰極表面存在陰極斑點(diǎn)，說(shuō)明在推力器工作過(guò)程中，放電陰極被電弧燒蝕。推力器的陰極，既作為放電電極，又是推力器推進(jìn)工質(zhì)，不需要攜帶工質(zhì)貯供系統(tǒng)，該特點(diǎn)是μ-CAT應(yīng)用于微納衛(wèi)星的重要優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，推力器比沖能達(dá)到幾萬(wàn)m/s，增大磁感應(yīng)強(qiáng)度，可以有效提高推力器比沖。推力器羽流成發(fā)散狀分布，在無(wú)外部磁場(chǎng)作用下出現(xiàn)羽流回流的現(xiàn)象，增大外部磁場(chǎng)能起到羽流束流的作用，可有效避免