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等离子发动机羽流区的光谱诊断及模式识别

丁佳鹏  
【摘要】: 稳态等离子发动机(Stationary Plasma Thruster简称SPT)是Hall发动机的一种,在航天方面有着广阔的应用前景,可用于卫星的精确定位、轨道保持、姿态控制等方面。SPT具有体积小,结构紧凑,推力小,比冲大的特点,这类发动机的寿命长,能够提高卫星的有效载荷,节约发射成本,能完成远距离的探测任务。光谱诊断是实验研究SPT的重要手段,这种非接触式的诊断方法与其他常用的方法相比有着很多独特的优势,利用它可以方便的进行一些等离子参数测量和发动机工作特性分析。本文主要内容是搭建适用于等离子发动机诊断的光谱测量软、硬件系统,利用此系统对SPT的羽流进行实验研究和分析,结合粒子激发的条件,分析不同工况下羽流的特点,从而为发动机性能诊断提供依据,具体工作内容如下: 针对等离子发动机的工作机理,建立光谱诊断模型。在论述了工质气体选用氙气的原因后,对氙元素的能级结构和光谱特点进行了总结,对氙谱线的展宽和超精细结构进行了介绍;将谱线对应的高能态来源进行分类后,根据激发的原理进行了光谱诊断和建模。不同位置粒子的能量和密度不同,根据发动机的不同位置,对主要的激发形式进行了简要的分析。 光谱诊断实验系统的构建。对光学实验系统的构建进行了详细论述,主要包括光学系统的测量原理及方案、光学组件的特点及性能、光学系统的标定过程,综合整个光路和光学传感器件对光信号的影响,对系统误差进行了分析。 不同颜色和形貌下的羽流光谱诊断。在不同的情况下,羽流的颜色和形状差异很大。本文对绿色羽流、紫红色羽流、橙红色羽流进行了光谱诊断,将激发的主要来源、发动机工作原理相结合,找出不同情况的羽流对应的物理实质。 利用一维计算平台并结合理论分析得出高放电电压下发动机性能参数的变化规律。针对羽流区的辐射和陶瓷壁面的腐蚀进行了一些研究,分析了辐射和腐蚀在高放电电压工况下的变化情况。最后引入特征选择的方法处理大量的光谱数据,精简所需分析谱线的数量。


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