多物理场耦合作用下的离子推力器性能优化及寿命提升设计技术研究

Cathode flow rate and the magnetic field strength not only influence the lifetime of the hollow cathode but influence the performance of the thruster’s discharge chamber. This project is devoted to finding a new method of the optimization design of the thruster’s performance and lifetime. By carrying out the measurement of the discharge voltage oscillation, the optimization of the discharge chamber’s performance with multi-physics field coupling, the measurement of the energy of the ions near the hollow cathode keeper’s tip, the measurement of sputtered keeper’s tip through bombarding and the theoretical analysis of the optimization design of the thruster synthetically considering multi-factors, the theoretical system of discharge-cathode plasma’s microscopic properties will be constructed. Analytic mathematical tools will be used to describe the generation, evolution and the etching process to the keeper’s tip of the ions from the aspect of evolution of the non-equilibrium plasma. At the same time, the theory of the differential equation is directly used to analyze the plasma’s physical nature under its final state without tracking the evolution of the non-equilibrium plasma; at last the effect of plasma’s physical property on the discharge chamber’s performance and the hollow cathode’s lifetime is obtained by analysis. This project adopts the research method of experimental tests in combination with theoretical analysis and has high academic value. The research results can provide theoretic and experimental basis for the optimization design of the thruster series.

阴极工质流率参数和触持极顶附近磁感应强度不仅影响空心阴极工作寿命还影响推力器放电室性能。本项目致力于找到一种离子推力器性能和寿命优化设计的新方法，通过开展放电电压振荡测量、多物理场耦合作用下的放电室性能优化、阴极触持极顶附近的离子能量测量、触持极顶轰击溅射刻蚀量试验测量及基于多因素综合的离子推力器优化设计等基础理论，构建放电室-空心阴极等离子体微观特性理论体系，运用解析数学的工具，从非平衡态等离子体演化的角度描述触持极顶附近高能离子的产生、演化及其对触持极顶的轰击溅射刻蚀物理过程。同时也首次借助微分方程解的理论在不追踪非平衡态等离子体演化复杂过程的情况下，直接分析等离子体最终状态下的物理性质，最终分析得到等离子体物理性质对放电室性能和空心阴极寿命的影响。本项目采用试验测试和理论分析相结合的方法完成推力器性能和寿命的优化设计，具体较高的学术价值。本项目研究结果可为今后型谱化离子推力器优化。

首先，构建了空心阴极理论分析模型，从理论上明确了空心阴极工作机理；制定了空心阴极专项试验测试方案，专门设计了用于试验研究的供气单元。采用TS-5、TS-1000真空设备开展了不同阴极工质流率、发射电流的钡钨和LaB6空心阴极工作特性、发射体温度和阴极顶温度的测量；针对三模式LaB6空心阴极开展了不同功率下的性能试验测试，获得了阴极流率安全裕度范围和性能衰退特性曲线。其次，构建了基于解析数学方法的数学模型，运用经典力学和经典动力学的方法，模拟了放电室气体放电过程，明确了阴极触持极附近等离子体振荡曲线和准平衡态时该区域的等离子体特性，理论分析放电室性能特性；构建了放电室理论分析模型，建立了阴极工质利率和工质利用率关系。之后，构建了阴极和放电室耦合下的放电室数值计算模型和高能等离子体动力学行为数值计算模型，利用数值计算方法模拟阴极、放电室耦合作用下的放电室气体放电过程和阴极下游羽流区高能离子的产生和离子对触持极表面的轰击溅射刻蚀过程，分析阴极下游高能离子运动轨迹、不同运动方向和能量下的离子、等离子体振荡频率和振荡幅值对触持极表面腐蚀率的影响，从理论上明确触持极受高能离子的轰击溅射刻蚀机理、影响因素和影响程度；制定离子推力器性能和等离子体参数测量试验测量方案，采用郎缪尔探针测量阴极下游放电室等离子体密度、电子能量和离子能量，采用三维轮廓仪测量阴极阴极顶锥孔孔径、触持极小孔孔径，采用台阶仪测量阴极触持极腐蚀形貌，测量推力器工作时的阴极电压-电流特性曲线；最后，获得工质利用率和固体表面溅射腐蚀的关系表达式。提出了与阴极工质流率、放电室磁感应强度有关的离子推力器放电室性能和空心阴极寿命的最佳拐点求解方法；提出了一种可以预测任意一款离子推力器空心阴极触持极顶溅射刻蚀速率的方法；给出了一种可以预测任意一款离子推力器放电室性能预测的方法；给出了一种可以用于任意一款离子推力器优化设计的方法。