LIPS300离子推力器加速栅电压的优化设计

在不改变推力器几何结构的前提下,为了获得LIPS300离子推力器的最佳加速栅电压,采用半经验分析和数值仿真计算相结合的方法分析了加速栅电压分别为-180V、-190V、-200V、-210V和-220V时LIPS300离子推力器栅极组件引出束流过程中束流离子从非平衡态到平衡态的演化过程,通过数值模拟计算得到了推力器运行过程中交换电荷离子轰击溅射到加速栅壁面的产额,利用寿命预测的半经验计算方法对5种情况下LIPS300离子推力器的栅极寿命进行估计,分析了关键失效模式,通过对比获得了LIPS300离子推力器的最佳加速栅电压。计算结果显示,在现有几何结构下加速栅电压的变化不会影响栅极组件的引出性能;加速栅下游更易受到交换电荷离子的轰击溅射;加速栅电压从-180V变化至-220V过程中,影响栅极寿命的关键失效模式为电子反流失效;对比5种情况下发生电子反流和结构失效时对应的栅极寿命可以发现,LIPS300离子推力器加速栅电压最佳值应为-220V,此时对应的栅极寿命为16170.4h。     

等离子体密度对栅极系统束流影响分析

针对现有离子推力器栅极系统束流引出分析中未考虑放电室等离子体密度均匀性影响的不足,基于数值方法对该问题进行了研究。采用单元内粒子 （Particle In Cell,PIC） 方法对栅极系统束流引出进行了数值模拟。PIC方法中电场求解采用有限差分方法,离子加速方法采用跳蛙格式。以国产20cm Xe离子推力器作为算例,计算得到了栅极中心和边缘孔引出束流离子和电场的分布。结果显示栅极中心孔相对边缘孔束流聚焦性好,束流发散角小,但中心孔轴线的鞍点电势较边缘孔高24.8V。因此,放电室等离子体密度分布对束流引出具有重要影响,电子返流现象最先出现在栅极中心位置。     

基于放电室均布模型的射频离子推力器研究

为了研究工作参数和结构参数对射频离子推力器放电性能的影响规律，通过开展放电室均布模型数值仿真和推力器性能试验，研究了射频离子推力器LRIT 40的放电机理和放电性能随结构参数和工作参数的变化规律。研究发现，减小长径比或增大工质流率、栅极电压及射频功率均能增大推力器束电流，改善推力器性能。通过分析试验结果和仿真结果得到，放电室均布模型可用于研究射频离子推力器的性能。     

碘工质射频离子推力器栅极系统束流特性仿真

为分析碘工质射频离子推力器束流特性,应用粒子云网格算法（PIC）,对碘工质射频离子推力器栅极系统进行三维数值仿真。碘工质电离产物中除了大量存在的I⁺,还包含少量I₂⁺、I²⁺、I³⁺几种多价离子。对添加多价离子前后束流特性的仿真结果进行对比,得出该栅极系统离子空间分布、电势分布、离子相空间分布以及束流、束流发散角,并对变密度工况下束流大小进行统计。计算结果表明,程序能较好地模拟离子在栅极系统中的运动情况：添加多价离子后,等离子体悬浮电势有所上升,鞍点电势有所下降,但整体电势分布的变化幅度较小;添加多价离子后束流大小略有增加,束流发散角略有减小,通过理论分析可知仿真所得理论推力及理论比冲均有小幅度增加;放电室等离子体数密度增加到约2.4×10¹⁷m^-3时,该栅极系统达到了束流引出的极限,后续增大等离子体密度引出束流不增反降。模拟结果可以为碘工质射频离子推力器栅极系统的设计提供参考。     

电喷雾推力器结构参数与束流引出效率分析

为了改善电喷雾推力器性能,提高束流引出效率,使用COMSOL软件对电喷雾推力器不同结构参数下的电场分布与发射粒子轨迹进行了仿真,结果表明在引出电压一定的情况下,发射极尖端场强受发射极结构参数影响明显,随发射极棱条宽度及棱条间距的增大而增大;引出栅极结构对束流引出效率影响显著,扩张孔结构的引出效率优于直孔结构,引出栅孔的宽度增大也有利于引出效率的提高;两极间距对引出效率也有较大影响,减小两极间距有利于提高引出效率;横向装配误差会明显影响发射粒子的运动轨迹,但对引出效率的影响不大.     

溅射靶对离子推力器的热辐射影响研究

为了研究真空环境设备内溅射靶温度升高后对30cm离子推力器的热辐射影响,采用有限元分析的方法,首先对真空舱内的离子推力器羽流分布进行了模拟,在获得羽流对溅射靶造成的温度变化后,进一步分析了溅射靶温度升高对离子推力器温度以及栅极热形变位移所造成的影响。仿真结果显示,推力器羽流可采用定向分子流模型进行描述,羽流在真空舱内的扩散过程中几乎没有能量损失;30cm离子推力器工作时真空舱内大部分区域的气体压强在2×10^-3~6×10^-3 Pa;在溅射靶影响下,推力器加速栅和屏栅中心温度分别为352℃和440℃,边缘温度分别为342℃和411℃,屏栅和加速栅的间距缩小量由无溅射靶影响时的0.560mm增加到0.585mm;试验结果显示,加速栅和屏栅边缘温度分别为364℃和385℃,与仿真结果的比对误差均为6%,溅射靶后部羽流气体的温度测试值高于计算值约50℃,误差主要由于模拟中忽略了羽流粒子的能量沉积效应。     

30cm氙离子推力器磁场特性分析与优化设计

放电室磁场设计直接影响放电室的放电稳定性及推力器在轨工作寿命,针对多种工作模式下30cm氙离子推力器磁场设计的复杂性问题,对推力器电磁体磁场向永磁体磁场转换中放电室的磁场特性进行了研究,并对永磁体磁场的关键参数进行优化设计。建立30cm氙离子推力器放电室磁场转换的磁路模型,运用有限元分析理论,利用实际工程数据验证磁路模型计算结果的正确性与方法的可行性。在此基础上,分析获得给定磁路构型下产生要求磁感应强度的永磁体关键尺寸。以放电室工作阳极震荡电压、减速栅极电流、加速栅极电流和磁路系统质量为目标,采用多目标粒子群优化算法,对永磁体的关键参数进行优化,得到30cm氙离子推力器设计性能目标下的磁路构型最优结果。本研究可为高效、稳定工作的离子推力器磁路设计及优化提供方法。     

烧蚀型脉冲等离子体推力器能量分配机理

脉冲等离子体推力器（以下简称PPT）效率低下的缺点一直为使用者所诟病,但过去对其能量分配机理的研究十分匮乏,难以为高效率PPT的设计提供参考。针对这一现状,本研究以平板式烧蚀型PPT为对象,对推力器在4种不同放电能量（能量比1：2：3：4）下工作的电压、电流和脉冲烧蚀质量进行测量,并根据测量结果估算PPT的元冲量、比冲、效率等推进性能。此外,本研究还建立了能估算PPT推进剂利用率的数值模型,并用该模型分析实验研究结果。研究结果表明,能量利用率和推进剂利用率低下同时导致PPT推力器效率低下,随着放电能量的增加,PPT的能量利用率和推力器效率上升,分别从5.07%和2.88%逐渐提高至16.46%和5.23%,但推进剂利用率反而降低,由56.8%逐渐降低至31.8%。     

LHT40低功率霍尔推力器放电特性试验

为了获得300W级混合励磁模式低功率霍尔推力器的放电特性,采用一套高精度激光微推力测量装置和集成离子流诊断装置获得推力器不同工况下推力、比冲、效率、束流发散角和质量利用效率的变化特性。试验结果表明,推力器的推力、比冲、阳极效率在200～300V存在一个最大值;放电电流、放电电压呈现无阻尼谐波振荡特性,其一阶频率大约4.05kHz。在恒定电场和磁场下,推力器束流离子电流密度呈现双极扩散的结构;阳极流率增大至0.95mg/s时,离子电流密度呈现典型的双峰结构,质量利用效率与质量流率呈现正相关的特性。     

基于CFD的10 cm氙离子推力器阳极推进剂供给方式优化

离子推力器阳极推进剂在放电室内的浓度分布及其变化梯度的设计是放电室放电模式可靠性设计的关键技术之一，直接影响到放电室内推进剂的电离效率及放电稳定性。针对航天器在轨多目标飞行任务对10 cm氙离子推力器的应用需求，为提高10 cm氙离子推力器放电室空腔内阳极推进剂供给的均匀性，实现推进剂利用率的有效提升，运用计算流体动力学（CFD）理论，建立了包括阳极推进剂、进气管和分配环在内的CFD阳极环模型，研究了未发生气体放电情况下，不同供给方式时阳极环内阳极推进剂的压强与流速变化情况。在此基础上，分析了阳极推进剂供给方式对10 cm氙离子推力器放电室空腔内阳极推进剂分布特性的影响作用关系。将优化前后的阳极环在10 cm氙离子推力器中进行了性能对比，结果表明:优化后阳极推进剂电离损耗由277.9 W/A降至241.2 W/A，放电室阳极推进剂利用率由91.7%提升至98.4%，验证了CFD计算结果的正确性与方法的可行性。研究结果为离子推力器放电室拓扑结构设计与优化提供了方法。      

等离子推进无人机的电空气动力学研究

针对一种新兴的等离子推进无人机概念开展其电空气动力学研究，并通过数值仿真论证等离子推进系统作为无人机主推力系统的可行性。等离子推进无人机的飞行原理是利用一种非对称高压电极组电晕放电实现空气电离，并通过高压电场实现离子加速，从而产生推力推动无人机飞行。相比于传统无人机，等离子推进无人机具有较低机械疲劳、飞行噪音小和能量利用效率高的优点。本文完成了等离子推进无人机组成设计，并对单等离子推进器和等离子推进无人机整体电空气动力学进行了理论研究和数值仿真。单等离子推进器数值仿真结果表明，随着工作电压的升高，单位长度推进器所能产生的推力单调递增。且在相同施加电压情况下，等离子推进器电极间隙越小，所能产生的推力越大。等离子推进无人机飞行仿真结果表明，通过优化等离子推进器结构，施加足够高的电极组电压，等离子推进无人机能够实现稳定飞行。     

基于PIC方法的离子发动机光学系统粒子模拟

采用单元内粒子(PIC, Particle-In-Cell)方法对离子发动机光学系统进行了等离子体粒子模拟.PIC方法可有效地对等离子体进行粒子模拟,其中电场求解采用SOR(Successive Over Relaxation)方法,离子加速方法采用蛙跳格式.推进剂采用氙,模拟粒子为单核离子.模拟得到了栅极间电势分布、电场强度分布及栅极间氙离子数密度分布.计算结果表明,在所取的光学系统电压参数和几何参数下,粒子束能够顺利通过栅极孔,不会撞击到栅极孔壁上.粒子模拟为今后开展离子发动机光学系统腐蚀机理分析及寿命评估提供了有效的数值方法.      

15厘米射频离子推力器—“RIT-15”的实验研究

本文简单介绍了“RIT—15”的工作原理,性能参数计算及实验结果。推力器是用惰性气体氙(Xe)和氩(Ar)作工质,以代替水银。结果表明:推力器可以正常运行,可拔出离子电流为150—220mA,相应的推力达7—14mN。由于用惰性气体运行方便、无毒,所以这是一种有希望的工质,但随之而来的是推力水平和质量效率的下降。这必须通过推力器结构的改进及进一步提高高频发生器的耦合性能来解决。     

阴阳极进气量对附加场磁等离子体推力器性能的影响

针对附加场磁等离子体推力器阴阳极供气量对推力器性能的影响进行了研究。采用试验方法测量了稳态AF MPDT的束流参数以及放电电压、放电电流、附加磁感应强度等工况参数,测量计算了推力、效率等性能参数。通过改变阴阳极供气比例,分析研究了初始气体分布对推力器性能及物理机制的影响。研究结果显示,阴极供气比重增大时,推力器推力及效率相应增大,但增大到一定比例,推力器出现工作不稳定导致性能下降,说明阴阳极存在最佳的供气比例,表明供气比例对推力器性能具有重要影响。