离子推进器放电室等离子分布及加速栅极腐蚀的研究

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1、硕士学位论文离子推进器放电室等离子分布及加速栅极腐蚀的研究RESEARCHONTHEPLASMADISTRIBUTIONINIONTHRUSTERDISCHARGECHAMBERANDACCELERATORGRIDEROSIONMECHANISM鹿畅哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：V439+.1学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文离子推进器放电室等离子分布及加速栅极腐蚀的研究硕士研究生：鹿畅导师：曹勇副教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：深圳研究生院

2、答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V439+.2U.D.C:621.455DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONTHEPLASMADISTRIBUTIONINIONTHRUSTERDISCHARGECHAMBERANDACCELERATORGRIDEROSIONMECHANISMCandidate：LuChangSupervisor：AssociateProf.CaoYongAcademicDe

3、greeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要电推进是一种通过把外加电源的电能转换为推进剂的动能从而产生推力的一种火箭推进器。而离子推进器是电推进中技术中已经相对比

4、较成熟的一种电推进。离子推进器的栅极之间有上千伏特的电压，可以将放电室内电离产生的离子加速到非常高的速度，高速离子从栅极系统中喷出，然后被中和器中和，从而产生推力。由此可见，离子推进器的栅极系统是产生推进器产生推力的主要部件，其重要性不言而喻。目前，已经有很多关于栅极腐蚀的研究，但还不完善。栅极腐蚀的仿真过程对栅极上游等离子体密度作的是均一性假设。针对这一假设的合理性，本文对离子推进器放电室的放电过程进行了相关研究，并得到了稳态下栅极上游的等离子体密度分布。但受限于计算机的计算能力，无法对栅极进行全局仿真。考虑

5、到小范围内可以认为栅极上游的等离子体分布一定是均匀的，可以针对栅极的不同区域进行单独分析。而目前有关过聚焦和正常聚焦下加速栅极腐蚀的研究已经比较详细，但对欠聚焦下的腐蚀机理的研究尚不充分。因而本文针对欠聚焦工况下加速栅极的腐蚀进行了研究，然后结合得到的栅极上游的等离子体密度分布对栅极的全局腐蚀情况进行了分析。本文首先模拟了离子推进器放电室的放电过程。其中，放电室内中性原子的分布利用了二维轴对称的DSMC方法进行模拟得到。通过对放电室的仿真得到了栅极上游的等离子体数密度分布。研究结果显示，栅极上游的离子数密度分布

6、并不均匀，放电室中心轴线附近的离子数密度高，然后沿径向向外递减。其次，本文研究了欠聚焦下加速栅极的腐蚀。研究结果表明，在欠聚焦工况下，加速栅极冲电流将主要由直接冲击电流造成，而CEX离子对加速栅极冲击电流的影响非常小。欠聚焦工况下加速栅极的腐蚀机理与正常聚焦工况下相同，造成加速栅极腐蚀的CEX离子来源也基本相同，但腐蚀程度不同。欠聚焦工况下CEX离子对加速栅极下游表面和孔壁的腐蚀程度要比正常聚焦工况下大一个量级以上。所以，由于离子推进器中心轴线处栅极上游等离子体数密度最高，加速栅极腐蚀最严重，且加速栅极的腐蚀深

7、度会沿着径向减小。欠聚焦工况是三种不同工况下对加速栅极孔壁和后壁面腐蚀最严重的一种工况，应当尽量减小欠聚焦工况的范围。关键词：离子推进器；放电；栅极；腐蚀；CEX；DSMC-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractElectricpropulsion,alsoknownaselectricrocket,whichconvertstheelectricenergytokineticenergy.Theionthruster,oneoftheelectricpropulsion,isrelativelym

8、ature.TherearethousandsofvoltsbetweenIonthrusters`gridsothatitcanaccelerateionswhichwasionizedinthedischargetohighspeed.Afterhighspeedionsgetoutfromthegrid,theyareneutralizedbytheneutralizer.The