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场致发射电推力器工作性能及其发射机理研究

段君毅  
【摘要】:传统的化学推进比冲低、质量大、结构复杂,极大地限制了它在微小卫星上的应用。基于液态金属离子源的场致发射电推力器是一种静电式电推力器,具有推力小、比冲高、效率高等优点,可应用于微小卫星的姿态控制、定位控制、航天器电位控制、轨道转移和提升、轨道修正、阻力补偿等任务。本文在国内外研究的基础上,研制了场致发射电推力器实验样机,并对这一新型电推力器进行了实验及理论研究。 研制了包括控制系统、电源系统及推力器本体在内的针型铟场致发射电推力器实验样机,以此为基础研究了场致发射电推力器的工作性能。该样机实现了推力器的发射极到吸极垂直距离、工作电压等参数可调。在推力器关键部件制作上,采用微细电化学方法加工顶点半径2-5μm的发射针,并进行表面粗化、超声及化学清洗以及浸润处理,制备出FEEP用发射极。建立了包括发射电流、电压检测、微推力测量的实验平台。针对场致发射电推力器推力小(0.01mN)的特点,采用薄悬臂梁对场致发射电推力器的推力进行了测量。 场致发射电推力器的发射系统是推力器的核心,而发射极顶点附近的电场强度是影响FEEP性能的关键因素之一。本文从改进的动态流柱模型出发,详细描述了以半椭球取代半球作为发射极顶点的形状表达,并基于该模型与吸极尺寸关系,运用基于增长网格划分的有限差分法对极间的电场强度进行了计算,得出发射初期的极间电场主要受到发射极顶点半径的影响,而吸极到发射极的距离以及吸极内半径对电场强度影响较小的结论。 本文将场致发射电推力器的运行划分为液态金属的发射和补充两个并行的过程,通过对这两个过程的理论建模及详细描述,提出了场致发射电推力器运行过程中液态金属发射与补充平衡的稳定工作状态,即液态金属通过场蒸发作用发射出去的速率与液态金属不断流向顶点的速率相等。进一步研究了维持稳定发射的最小发射电流状态,并且发现,延长推力器寿命的有效方法之一就是将推力器运行在最小发射电流状态,并根据稳定状态的平衡条件,初步获得了最小发射电流的估算模型。在研制场致发射电推力器实验样机及其测试平台上开展了大量实验,主要包括样机原理验证实验,性能测试实验以及最小发射电流模型验证实验等。在验证了FEEP原理样机正确性的基础上,开展了FEEP样机的伏安发射特性测试,验证了推力器的设计参数如工作电压、发射电流、发射针顶点半径、发射极到吸极垂直距离等与伏安特性的关系,与此同时还进行了伏安特性与性能参数如推力、质量效率、比冲等的关系实验,验证了性能模型的合理性。对场致发射电推力器的最小发射电流状态进行了实验验证。 针对场致发射电推力器的工作性能及发射机理进行了理论及实验研究。结果表明:本文研制的针型场致发射电推力器实验样机符合设计目标:推力小于2μN,比冲高达7500s,质量效率达95%,实验结果与性能模型结果一致。当发射极尖端的液态金属发射与补充相平衡时,针型场致发射电推力器运行在稳定发射状态,稳定发射在满足温度条件时存在电流阈值范围,即最小发射电流及临界发射电流,即0.4~15μA之间(200℃)。最小发射电流的存在验证了本文提出的场致发射电推力器稳定发射条件的合理性。


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