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电子回旋共振等离子体推力器结构优化及性能测量

陈留伟  
【摘要】:电子回旋共振等离子体推力器(Electron Cyclotron Resonance Plasma Thruster,ECRPT)是一种基于微波等离子体和磁喷管加速的电磁式推力器。其工作原理主要是微波能量传输到激发天线上,然后在天线表面形成电磁场,在磁场的作用下工质气体中的自由电子作拉莫回旋运动,当电子回旋的频率和微波的自有频率相等时,电子会加速吸收微波能量变成高能电子,高能电子不断碰撞工质气体产生高密度等离子体,最后等离子体中的离子通过磁喷管加速喷出产生推力。该推力器具有结构简单、寿命长、易启动、无污染和性能稳定等优点,由于其不需要中和器,羽流呈准中性的特点,在未来的深空探测以及微纳卫星的姿态维持和轨道控制方面具有独特的应用前景。本文简单介绍了推力器的基本结构,分析了关键部组件的特性结构尺寸。使用HFSS电磁场仿真软件对推力器微波能量馈入方式和天线结构尺寸进行仿真分析,得出在垂直馈入的方式下,微波能量可以被更高效的利用,以此为基础模拟分析得到了天线长为20mm,直径为0.5mm。通过仿真天线表面的电磁场分布得到电场强度可以达到10~3-10~4量级,满足激发工质气体所需的电场的要求。使用COMSOL多物理场软件仿真模拟了推力器放电腔室的放电效果和磁场位形,采用漂移扩散模型计算得出放电腔室中电子数密度可以达到10~188 m~(-3)数量级,通过结构设计确定了推力器放电腔室内径为2.8cm、外径为3cm、高度为2.5cm,磁铁的内径为3cm、外径为5cm、高度为2.5cm。在确定永磁铁的材质和尺寸的条件下,建立了磁铁的二维轴对称模型,仿真了磁场位形,得出ECR面位于推力器的尾部,验证了磁场设计的合理性。本文通过仿真结果设计加工了推力器的实验样机,通过自主搭建的实验平台,实验验证了推力器的放电效果,诊断了推力器羽流区特性参数。放电实验工质气体采用氩气,背景气压为10~(-2)Pa条件下能稳定工作,使用法拉第探针诊断了不同微波功率、气体流量条件下的羽流区离子电流和离子电流密度,进一步验证了实验样机设计的合理性。


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