微弧陰極放電推力器系統(tǒng)設計及性能測試.pdf

1、隨著微納衛(wèi)星的發(fā)展，微推進系統(tǒng)的研究越來越受到關注。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并加速等離子體噴出產(chǎn)生推力的新型電推進，該推力器具有體積小、重量輕、比沖高、功耗小等性能優(yōu)勢，在微納衛(wèi)星領域具有廣闊的應用前景。
　　本文詳細分析了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對直流輸入電壓進行脈沖升壓處理，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的作用下加速噴出推力器，從而獲得推力。本文在相關理論指導下對μ-CAT系統(tǒng)各部分子系統(tǒng)進行設計和研制，該推力器整體重量不超過300g，體積大小不超過1U（10cm×10cm×10cm）。本文基于高真空電推進實驗平臺，設計并搭

3、建了一套μ-CAT地面實驗裝置，包括放電參數(shù)測量裝置、推力器羽流測量裝置等。在高真空下開展性能測試實驗，通過示波器記錄推力器放電特性曲線，獲得放電電流、放電電壓、放電時間等性能參數(shù)。利用自制探針檢測推力器產(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；使用多個法拉第探針測量羽流離子電流空間分布，獲得推力器羽流分布。
　　本文通過對推力器實驗現(xiàn)象及測試結果進行整理，總結出微弧陰極放電推力器性能特點及相關參數(shù)。根據(jù)推力器

4、的羽流觀測結果，可以看出同軸型電極結構有利于等離子體的噴出。實驗后的陰極表面存在陰極斑點，說明在推力器工作過程中，放電陰極被電弧燒蝕。推力器的陰極，既作為放電電極，又是推力器推進工質，不需要攜帶工質貯供系統(tǒng)，該特點是μ-CAT應用于微納衛(wèi)星的重要優(yōu)勢。經(jīng)過實驗測量，推力器比沖能達到幾萬m/s，增大磁感應強度，可以有效提高推力器比沖。推力器羽流成發(fā)散狀分布，在無外部磁場作用下出現(xiàn)羽流回流的現(xiàn)象，增大外部磁場能起到羽流束流的作用，可有效避免