低功耗MPT谐振腔改进设计与实验研究

论文摘要

微波等离子推力器(MPT—Microwave Plasma Thruster)是一种新型的在研电推力器,具有很好的发展前景。在MPT中,微波谐振腔是工质吸收与转换微波能量的重要场所,它的功能和化学推进的燃烧室一样。因此研制出一个高性能的谐振腔对于整个微波等离子推进系统是至关重要的。 本文的研究工作是在原有MPT谐振腔的基础上开展的。原有谐振腔实现了MPT的小型化,使得MPT向工程应用研究更迈进了一步。其结构简单,对电源功率要求不高(≤100W),微波泄漏小,能够在地面和真空下点火启动,并能够在多种工质下工作。从以往的实验中发现,原有谐振腔的点火启动还不是很可靠,工作效率也不够高,本文主要针对此两点,首先从集中电容型同轴谐振腔的特点入手,利用传输线理论和波导理论对集中电容型同轴谐振腔的电磁场及其等效电路进行分析,对这种谐振腔的能量转换、谐振条件、激励方式、阻抗匹配和品质因数进行了分析和讨论。然后考虑激励探针以及内导体对场分布的影响,利用电磁场理论、微波电路设计以及机械设计等方面的知识,对微波谐振腔的结构进行改进设计计算,包括谐振腔腔体材料的选取、主要结构尺寸的确定、激励方式的选择、激励装置的设计、观察窗和喷管设计以及其他一些结构的设计,获得了合理的谐振腔结构形式。 最后分别在地面环境和真空环境下对比旧谐振腔进行了点火启动和效率分析实验,以此来验证新谐振腔的性能。实验表明,对旧谐振腔的所作的改进是有一定成效的,新谐振腔保证了MPT点火启动的可靠性,在一定程度上提升了MPT谐振腔的能量吸收效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 电推进系统综述
• 1.2 MPT的优越性和研究现状
• 1.2.1 优越性
• 1.2.2 研究现状
• 1.3 本文的主要内容
• 第二章 传输线理论和波导理论
• 2.1 传输线理论
• 2.1.1 传输线方程及其解
• 2.1.2 解的分析
• 2.2 波导理论
• 2.2.1 波动方程与导行波
• 2.2.2 波导中导行波
• 2.2.3 同轴波导中的TEM波
• 2.3 小结
• 第三章 集中电容型同轴谐振腔
• 3.1 能量转换
• 3.2 谐振条件
• 3.3 激励方式
• 3.4 阻抗匹配
• 3.5 品质因数
• 3.5.1 固有品质因数
• 3.5.2 有载品质因数
• 3.6 小结
• 第四章 MPT谐振腔的设计与改进
• 4.1 原有谐振腔
• 4.2 材料的选择
• 4.3 主要结构尺寸的计算
• 4.3.1 谐振腔长度
• 4.3.2 内导体长度
• 4.3.3 内导体外半径a和外导体内半径b
• 4.4 结构设计
• 4.4.1 激励方式与激励装置
• 4.4.2 观察窗设计
• 4.4.3 喷管设计
• 4.4.4 谐振腔壁厚
• 4.4.5 推力器结构图
• 4.4.6 改进说明
• 4.5 小结
• 第五章 MPT的实验与分析
• 5.1 谐振腔的低信号调试
• 5.2 MPT实验系统
• 5.2.1 地面实验系统
• 5.2.2 真空实验系统
• 5.3 地面实验结果与分析
• 5.4 真空实验结果与分析
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本论文的研究总结
• 6.2 进一步的研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间从事的研究与发表的论文
• 西北工业大学 学位论文知识产权声明书
• 西北工业大学 学位论文原创性声明