真空放电金属等离子体推进器的等离子体特性和推进性能研究

With the rapid development of small satellite technology, the demand for its propulsion system has been improved continuously. It is significant to research the propulsion mode with high specific impacts and the accurate thrust control which suits for small satellite propulsion system. To improve the specific impulse and thrust performance, the study on vacuum discharge plasma thruster will be carried out. Firstly, the acceleration mechanism of vacuum discharge plasma is investigated. The basic law of metal plasmas based on different mechanisms is explored. The adaptive conditions and discharge parameters are discussed to clarify the discharge mechanism and physical essence of vacuum discharge plasma. Secondly, the generation and propagation characteristics of vacuum discharge plasmas are analyzed. The high-density, high-energy, high-valence metal plasmas can be obtained through the optimization of electrodes and the reasonable layout of insulators, and then the specific impulse and thrust efficiency of the thruster can be effectively improved. Thirdly, the vacuum discharge plasma thruster is researched. The high-voltage nanosecond power supply is developed to realize the consecutive generation of metal plasmas and the persistent thrust. The precise micro-thrust measurement system is constructed to estimate the parameters of specific impulse and thrust. A new method to improve the plasma characteristics and thrust performance of the PPT will be provided by the successful implementation of the study.

随着微小卫星技术的快速发展，对其推进系统的要求也不断提高，研究适合微小卫星推进系统的高比冲、精确推力控制的推进方式具有重要意义。本项目采用真空间隙放电的形式，对真空放电等离子体推进器展开研究。首先讨论真空放电等离子体的加速机制。探究不同加速机制下等离子体生成、传播的基本规律，分析两种加速机制各自的适应条件和放电参数，阐明真空放电等离子体的放电机理和物理本质。其次对真空放电等离子体生成及传播特性展开研究。通过电极结构的优化设计和电极间绝缘材料的合理布置，掌握获得高能量、高密度、高价位金属等离子体的方法，进而提高推进器的比冲和推进效率。最后对真空放电等离子体推进器进行开发研究。研制高压纳秒脉冲电源，实现金属等离子体连续喷出形成持续推力；搭建高精度微力测量系统平台，对推进器的比冲、推力等性能参数进行评估。本研究的顺利实施，将为脉冲等离子体推进器的等离子体特性优化及推进性能改善提供新思路和新方法。

随着微小卫星技术的发展，对推进系统提出了低能量输入、高比冲输出等新的要求。由于自身结构及功能上的优势，电推进逐渐取代传统的化学推进成为微小卫星系统的主要推进方式。研究表明，利用真空脉冲放电烧蚀阴极金属材料生成的高电离度、高能量、高密度、定向运动的金属离子等离子体作为推力源的脉冲金属离子等离子体推进器具有较好推进性能的潜力。但是，目前脉冲金属离子等离子体推进器实际应用存在的问题就是产生的推力相对较小。主要的原因就是放电生成的等离子体源的密度和定向运动能量较低、定向喷射性能较差。.本项目基于推进器结构的设计，探究了脉冲金属离子等离子体推进器的等离子体生成及传播特性。首先，提出了一种带有绝缘套筒的裸阳极推进器结构。对比分析了无、有绝缘套筒的裸阳极推进器的等离子体生成及传播特性的区别。结果表明，绝缘套筒阻碍了阴极近旁带电粒子的径向运动，提高了沿绝缘套筒轴向喷射出去的等离子体的喷射性能。此外，发现采用裸阳极结构放电过程中会有大量带电粒子进入阳极。其次，为了阻碍生成的带电粒子进入阳极，本文提出了一种绝缘阳极电极结构，截断了带电粒子进入阳极的通道。结果发现，采用绝缘阳极结构进一步提高了沿绝缘套筒轴向喷射出去的等离子体密度。但是，与裸金属阳极结构相比，等离子体的生成量减少。再次，为了在不影响等离子体生成的条件下提高等离子体的喷射性能，本文提出了一种微孔绝缘阳极电极结构。结果表明，与裸金属阳极结构相比，采用微孔绝缘阳极结构生成的等离子体的密度峰值和传播速度峰值分别提高了12.6倍、3.9倍。最后，本文分别提出了一种螺旋阳极结构以及一种多阳极结构，利用放电过程中形成的自磁场及电场有效提高了等离子体羽流的定向喷射性能，减小了等离子体的羽流污染。本项目的研究结果为进一步理解真空放电物理过程、金属离子等离子体的生成和传播机理以及脉冲等离子体推进器的设计提供了参考和支持。