基於同步輻射光電離質譜的空心陰極壽命損耗機理研究

《基於同步輻射光電離質譜的空心陰極壽命損耗機理研究》是依託哈爾濱工業大學，由於達仁擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於同步輻射光電離質譜的空心陰極壽命損耗機理研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：於達仁

項目摘要

實現空心陰極的長壽命是電推進裝置研發的技術瓶頸。以往的陰極壽命研究方法耗時長、花費巨大且精度低，而從陰極損耗產物的層面出發來研究空心陰極壽命問題是一種全新的思路。本工作擬利用同步輻射光電離質譜技術，探尋陰極壽命制約因素影響損耗產物的定量規律，從而明確空心陰極壽命損耗機制，實現陰極壽命的最佳化。主要內容包括：建立同步輻射光電離質譜技術研究空心陰極壽命損耗的實驗方法；構建空心陰極壽命損耗機理模型；確定空心陰極壽命損耗的加速因子；實現空心陰極壽命的最佳化控制。本項目旨在利用同步輻射光電離質譜技術探測複雜體系微量物質的優勢，力圖闡明空心陰極壽命損耗相關的基礎科學問題，對於長壽命空心陰極技術以及電漿與材料作用機理等相關領域，具有重要的理論意義和套用價值。

結題摘要

電推進器是一類將電能通過特定方式轉化為工質（推進劑）的定向運動動能，提高射流速度，增加比沖的推力裝置，空心陰極作為他們的串聯組件--電子源和中和器，可謂是電推進器的“心臟”，其電子發射能力的衰減也就意味著整個推進系統的徹底失效。空心陰極的典型壽命需求是1萬小時，由於採用電子熱發射，並且利用電漿環境進行加熱和電子引出，使其工作條件非常惡劣，關鍵核心功能元件頂孔和發射體會因腐蝕而緩慢失效。由於空心陰極尺寸非常小（毫米量級），常規的探測裝置無法直接對腐蝕過程進行檢測，因此本課題提出採用同步輻射飛行質譜這一實時高精度檢測的方法，開展空心陰極腐蝕過程測量與研究。通過本項目的實施，首先確認了利用質譜法可以實時線上檢測空心陰極的腐蝕產物，為空心陰極的壽命監測提供了一種新方法；其次構建了電推進空心陰極的二維流體模擬軟體，為後續其中的物理過程研究提供平台支撐；第三，明確了空心陰極壽命制約部位頂孔和發射體的腐蝕機理，結合仿真平台開展了壽命加速方法和預測研究；第四，提出了一種採用變發射體結構，最佳化陰極放電性能和電子發射分布延長陰極工作壽命的方法。本項目研究成果用於指導了我國首台磁聚焦型霍爾推力器長壽命高可靠空心陰極設計，於2016年11月3日搭載長征五號運載火箭發射升空，在同步軌道進行了飛行演示驗證，完成了包括點火、常穩態測試等所有測試項目。央視新聞30分對該項技術進行了單獨報導，該成果同時入選教育部2016年度“中國高等學校十大科技進展（排第三）”以及2016年度中國十大航天新聞。