新型宽范围自适应热发射空心阴极研究

The new generation of geosynchronous satellite platform requires the electric propulsion system to have variable working conditions and long life. However, as the heart of the electric propulsion system, the hollow cathode starts to have problems of discharge mode transition and life decline when changing discharge current in a wide range. This seriously restricts the in-orbit application of electric propulsion system. The structure of emitter used in the traditional hollow cathode which has fixed working condition is relatively simple, and the position of electron emission on the emitter is also fixed. When changing discharge current, the current density in the orifice and the temperature of the emitter change greatly, thus affects the discharge mode and reduces life. This research topic proposes to study the relationship between emitter structure and plasma parameter distribution, and then the relationship between emitter structure and the position of electron emission and thermal deposition distribution. Then find the optimum structure which can change the position automatically when the discharge current changes. The cathode can adapt to the change of discharge current by changing the position, thus can working at the spot discharge mode all the time, and then has a long life. This method can solve the problem of hollow cathode working at a wide range of discharge current, and provide powerful technical support for the space mission of orbit transfer and attitude maintain.

新一代同步卫星平台对电推进动力系统提出了变工况和长寿命的任务需求。空心阴极作为电推进系统的心脏，却在大范围变电流工作时出现了放电模式转变和寿命下降的问题，严重制约了电推进系统的在轨应用。传统定工况电推进空心阴极发射体结构比较简单，电子发射位置固定，在变电流时顶孔电流密度和发射体温度变化较大，从而影响了放电模式并降低了工作寿命。本课题拟利用改变发射体结构的方式，通过研究电子发射机制与等离子体耦合规律，寻找空心阴极变电流时改变电子总有效面积发射比例，降低发射体温度变化的方法，形成利用自洽改变电子发射位置和有效发射面积的方法，来拓展空心阴极在变电流时的点模式工作范围，提高工作寿命，为电推进器完成轨道转移和位姿保持任务提供有力的空心阴极技术保障。

我国新一代卫星平台对电推进动力系统提出了变工况和长寿命的任务需求。例如，我国最新的东方红-5平台采用了多模式全电推技术，大推力模式用于大范围轨道转移与高比冲模式用于长寿命位置保持；我国天基互联网与物联网星座由上千颗小卫星组网构成，入轨和离轨也都需要大推力，而轨道维持与相对位置调整则需要微推力精确控制。空心阴极作为电推进系统的心脏，在电推进多模式大范围变电流工作时会出现放电模式转变和寿命快速下降的问题，严重制约了电推进系统的在轨应用。.本项目以拓展现有空心阴极电流引出范围为目标，首先构建了空心阴极内部的电、热和流动耦合的多物理场放电仿真平台，获得了阴极内部等离子体分布、热沉积分布和电子发射分布等基本特性，研究了阴极内部亚稳态、电子分压、离子粘滞等效应对放电过程的影响，获得了关键尺寸和参数变化时导致阴极放电模式转变和寿命下降的机理。在此基础上，开展了采用变发射体结构，利用改变电子发射面积而不是温度来拓展引出电流的方法，结果显示采用节流孔内移与尾部遮挡的方法均能显著扩展电流引出范围。提出的一种利用弧光放电快速启动空心阴的方法，解决了启动过程中发射体烧蚀过快的问题。针对空心阴极电流扩展过程中放电模式转换问题，通过探针测量与理论分析相结合，给出了阴极羽流区放电振荡模式与振荡机理，提出了采用改变触持极材料优化放电振荡的新技术。.本项目的研究成果使现有的定电流空心阴极扩展为宽范围变电流空心阴极，并具备启动速度快、开关机寿命长的优点，所研制的大电流电推进空心阴极已经应用于实践18卫星的全电推动力平台，能支撑我国新一代卫星在通信、导航、侦察等领域的任务需求；所研制的低电流宽范围空心阴极已经应用于银河航天星座首发星，能支撑我国商业组网卫星在天基互联网以及物联物通等方面的需求。相关成果已获2017年度教育部技术发明一等奖。