铁电微等离子体推进器的机理及实验研究

Stable and efficient on-orbit control is one of the key technologies to promote applications of nanosatellite(<10kg). In order to resolve the problem of low efficiency, large weight and complex structure in plasma propulsion technology, a novel ferroelectric cathode based microplasma thruster is proposed. The mechanism and key technology is investigated in this project. The main research topic include: mechanism of ferroelectric microplasma generation and microplasma beam extraction from the microscale nozzle, as well as propulsion mechanism; optimal design and fabrication of thruster based on MEMS technology; and reliability analysis based on static and dynamic testing. The purposes of this project are expected to develop a new microscale propulsion method for orbit controlling of nanosatellites with high efficiency and light weight, which has important theoretical significance and practical value.

稳定、高效的在轨控制是拓展小于10kg的纳米卫星应用领域的关键技术和有效途径。本申请针对目前电推进技术中存在的效率低、重量大、结构复杂的问题，研究基于铁电阴极的微等离子体推进器的机理和关键技术。主要研究内容有：研究微尺度下铁电微等离子体产生、经喷管导出的物理化学机理及推进机制；采用MEMS技术设计并制备集成铁电微等离子体放电器的推进器；实验研究推进器的等离子体参数、推进性能和参数控制；基于动/静态实验建立铁电微等离子体推进器的可靠性评估体系。本申请的研究有望为高效、轻量化的纳米卫星用推进系统提供一种新的思路和方法，具有重要的理论意义和实用价值。

基于MEMS技术的微推进系统引起成本低、体积小、质量轻和集成度高等特点，目前已成为国内外的热点研究领域。本项目自立项以来，设计和加工制备了一种基于铁电阴极的微等离子体推进器。该微推进器利用微空心阴极放电原理，将铁电阴极集成在微放电装置中，在外加电场激励下激发空心阴极内的气体推进剂产生微等离子体喷出，形成推力。主要开展的研究工作如下：.(1) 对微等离子体的产生、导出等进行详细的理论分析和数值仿真研究。首先研究了不同激励条件和电极结构形式下的铁电阴极的电子发射机理；其次对圆盘型压电陶瓷片的压电变压比进行了理论分析和数值仿真，并建立了径向振动模态下的压电陶瓷的等效模型。其次，研究了不同气体、激励条件下的微等离子体的产生机理；分析微喷管结构参数对喷出的等离子体束流的影响。最后综合压电陶瓷模型和等离子体模型，对铁电微等离子体推进器进行功耗计算，在此基础上设计了微等离子体驱动电路和阻抗匹配电路。.(2) 对集成铁电阴极的微等离子体推进器进行了结构设计和制备，设计侧向进气和垂直进气两种结构形式的推进器，并对压电陶瓷中心孔制备，微喷管制备，进气道制备等加工工艺进行了优化，初步制备出微推进器的原型样机。.(3) 分别设计钟摆式和迈克尔逊干涉式两种微牛量级的推力测试装置，并搭建了基于迈克尔逊干涉原理的微推力测试装置，初步测定了微推进器的推力性能。采用脉冲放电模式驱动微推进器的原型样机，测量了不同气体和不同驱动电压下的输出电流、V-I特性曲线以及微等离子体的发射光谱。.(4) 对微推进器的失效机理进行了详细的分析，初步建立失效评估体系。