应用于离子发动机和霍尔推力器的的空心阴极组件的研究

摘要

本论文对应用于电推进系统的空心阴极组件进行了研究。电推进系统是新型空间推进技术之一，具有效率高，推力可调等优点。目前投入实用的两种电推进系统分别是考夫曼型离子发动机和霍尔推力器。这两种发动机都应用空心阴极组件为核心部件，空心阴极组件主要作用是为电推进发动机点火和中和发动机正电性羽流提供电子。电推进技术经过多年发展，已经取得了重大进展，但是国内发展相对滞后。本论文是国内首次进行工程应用研究，主要目的是为我国电推进项目飞行试验研制工程样管。
　　设计的空心阴极组件包括空心阴极，加热器，顶板，支撑管、安装法兰、触持极、电极等几个部分构成。设计过程借鉴了国外的研究成果，遵循空心阴极组件设计基本原理，充分考虑了器件的热状态分布，机械抗振能力，以及关键部件的抗离子轰击能力。论文还详细介绍了关键器件的设计思想，详细结构等。通过利用相关模拟软件对设计完成的器件进行充分的电结构模拟，热力学仿真分析等，完善了设计，优化了结构。本文还介绍了制造空心阴极组件的工艺过程，对制备过程的关键工艺进行了着重描述，对其中的工艺难点进行分析。器件的测试和检验是器件研制的重要组成部分。通过改造现有排气系统，添加了气体引入和流量控制系统，建立了空心阴极组件测试平台，搭建了测试系统，建立了一套空心阴极性能检测方法，并利用该方法对空心阴极性能进行了系统的检测，包括加热器性能检测，放电特性测试，放电稳定性检测，点火参数试验，寿命试验，热子通断试验、环境适应性检测，器件防潮测试等。这些参数的检测确保器件可以实际工程应用。空心阴极的放电是一个复杂的物理、化学过程。通过分析点火过程及自持加热机理对影响点火性能的因素进行了讨论，对空心阴极等离子体放电机理进行了初步探讨。空心阴极组件的寿命和可靠性是关键指标，论文详细讨论了影响寿命的因素，并介绍了空心阴极寿命和热子通断的试验方法、过程及结果。
　　论文最后对整个研制过程进行总结，指出器件的特点和创新点，器件采用一体化组合热子及钎焊技术，解决了热结构与机械结构的兼容问题、长寿命与可靠性等问题，研制成功的空心阴极组件发射电流大于2.5A，最大发射电流可达4.6A，实际寿命超过1000小时，通过了工程适用性检测；研制的空心阴极组件还具有体积小，重量轻、抗振动能力强、可靠性高等优点，满足航天级器件的要求。

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第一章 引言

1.1电推进技术简介[1-4]

1.2选题来源与依据[5]

1.3电推进技术发展历史与现状[1-4,5]

1.4研究内容和研究思路

1.5 论文结构安排

第二章 热电子发射基本规律与气体放电原理

2.1热发射原理

2.2肖特基效应

2. 3金属的内电位、表面势垒和逸出功

2.4 电场作用下热电子发射规律

2.5 气体放电

2.6本章小结

第三章.空心阴极组件的设计与仿真分析[7-10]

3.1总体设计

3.2关键部件设计

3.3热状态设计与仿真

3.4本章小结

第四章 空心阴极组件的制备

4.1 总体工艺路线

4.2关键工艺

4.3本章小结

第五章 空心阴极组件的测试与性能分析[11-13]

5.1测试试验系统

5.2测试试验方案

5.3空心阴极组件测试结果

5.4 本章小结

第六章 空心阴极组件放电过程讨论[1,13,14]

6.1点火过程

6.2自持加热

6.3本章小结

第七章 组件寿命与可靠性验证和分析[15-22]

7.1引言

7.2 影响寿命和可靠性的因素

7.3解决措施

7.4寿命和可靠性试验

7.5本章小结

第八章.论文总结与结论

8.1论文工作总结

8.2特点与创新点

8.3需要进一步开展的工作

致谢

参考文献

攻硕期间所取得的科研成果与参与项目