基于液态金属镓的场发射电推力器研究

题名	基于液态金属镓的场发射电推力器研究
作者	高辉
学位类别	博士
答辩日期	2014
授予单位	中国科学院研究生院
授予地点	北京
导师	康琦
其他题名	Researches on Ga-FEEP Thruster
学位专业	一般力学与力学基础
中文摘要	国际上 “引力波探测”及我国“先进重力场测量”等计划的发展，极大地受无拖曳控制和微推进等技术发展的制约。卫星无拖曳控制需要微推进器提供百微牛级推力以补偿大气阻力及太阳光压等扰动，现有推进技术中场发射电推力器以其原理简单、推力可调、比冲高等优势被选为优先发展的关键技术。然而场发射电推力器在近四十年的发展中不但技术进展缓慢，且逐渐暴漏出一些工程问题亟待解决。首先为解决场发射电推力器由于一系列力学问题导致的工程化难题，分析场发射过程中在液态金属流动遇到的热膨胀、毛细流动、电润湿、离子发射、场蒸发、液滴发射等力学机理问题。并基于推进剂镓铯物性对比，分析对羽流和环境的影响，论证金属镓的工程化优势及缺点，提出了以金属镓替代现有推进剂铯的技术方案。分析了得到了毛细负压流动特征；模拟了电场分布以及离子轨迹；根据漏电介质模型模拟了电润湿过程，得到了流速径向分布等特征。其次为解决现有技术条件下研制场发射电推力器时遇到的复杂力学问题和挑战性难点，研究了核心部件发射极研制过程中的多个关键技术问题并提出解决方法。例如在不均匀温度场及残余应力导致的发射极翘曲问题中，通过对比多种材料和工艺方法，强化了材料硬度并提升研磨工艺，初步解决了翘曲问题；在跨尺度微流通道成型问题中，对比了多种成型方法，并最终利用高密等等离子体刻蚀方法获得有效微流通道；在液态金属毛细流动与润湿困扰问题中，通过研究液态镓润湿流动途径及污染物来源，表明狭缝面的氧化物和有机物污染相比推进剂表面氧化物对推进剂的润湿铺展过程影响更大，探索多种清洁方法并实现了大气环境中液态镓的可靠润湿与流动，有效地解决了以往研究者们普遍遇到的该问题。为了研究推力器的关键影响参数，通过多工况对比了场发射电推力器的点火性能；为了提高推力器性能，通过大量技术改进并逐步得到单点、多点以及准线性场发射点火形貌。推力器的研制与测试表明，尖端寿命和发射电压与润湿效果有关，润湿效果越差电压越高，尖端寿命越短；极间距和狭缝高度越大点火阈值越高；流动失稳和液滴喷涂与狭缝结构精度有关。最后为了测量微牛级电推力器真实推力，研究并提出两步标定差分测量方法，研制了微牛级弱力扭秤。标定结果表明激光干涉差分测量有效的解决了信号提取和分离问题，所研制扭秤的测量范围为3~200 μN，灵敏度为49μrad/μN•m，分辨力为1 μN；推力器最大真实推力为121.4 μN，是理论值的2.4倍，通过不确定性分析认为推力器存在液滴发射问题；比冲估计值为6200s，远低于理论值15000s，表明所研制的镓离子场发射电推力器质量效率较低，有待进一步改进。上述研究表明，推进剂是场发射电推力器工程化应用的关键，以镓替代铯是解决目前铯遇到的中性损失及氧化风险问题的可靠方案；推力器的工作性能不但依赖于尖端几何物理条件，还与微流通道内部尺度有关；通过解决表面翘曲问题和刻蚀工艺，提高了微流通道成型的极限尺度，增加了推力器可靠性；另一方面解决了液态金属镓表面氧化污染导致初润湿流动问题，降低了推力器失效风险；通过扭秤差分测量及电压电流计算分析，表明推力器实验样机初步达到研制要求。
索取号	31128
语种	中文
公开日期	2014-08-28
内容类型	学位论文
源URL	[http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/48990]
专题	力学研究所_国家微重力实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	高辉. 基于液态金属镓的场发射电推力器研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2014.