激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程实验研究

为了加深对激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程的认识，本文对有无陶瓷隔离板和不同初始电压下的激光支持的脉冲等离子体推力器进行了实验研究。利用放电伏安特性对比了放电特性参数和性能参数，然后利用结合窄带滤光镜的高速摄影技术揭示了性能差异背后的物理过程变化。结果表明，陶瓷隔离板可以有效避免放电电弧对工质的烧蚀，这可以抑制滞后烧蚀的产生，从而提高推力器的推进性能。对激光烧蚀产生的工质的电离和加速是在多次振荡放电过程中进行，而不像理想电流片模型那样只电离和加速一次。放电通道内工质的电离和加速效果最为显著的时间为放电的第2个半周期。随着初始电压的增加，单位放电能量产生的推进性能先增加后趋于平稳，然后继续增加。单位放电能量产生的推进性能在初始电压高于2050V后得到较大的提高，通过放电等离子体图像推测，这意味着附着等离子体电弧的存在对推力器性能的提高有重要影响。     

毛细管脉冲等离子体推力器等离子羽流分团现象与等效速度测量

毛细管型脉冲等离子体推力器采用固态工质，电热加速机制，结构简单可靠，是一种具有应用价值的微纳卫星低功率电推进系统。本文建立电学和光学联合诊断系统，对毛细管脉冲等离子体推力器等离子体羽流演变过程进行了研究。由于放电电流振荡，推力器等离子体羽流存在二次建立过程。初始阶段等离子体羽流中主要包含带电粒子组分，二次建立阶段等离子体羽流主要包含中性成分。利用光电二极管阵列和窄带滤光片建立了飞行时间法，获得了不同放电电压、腔体内径和腔体长度下等离子体羽流分团的等效速度演变特性。结果表明，电热加速机制能够使带电组分和中性成分获得较为良好的加速效果（>10km/s）。在一定放电能量下，放电腔体长度小于25mm有利于获得较优性能参数。等离子体羽流等效速度结果能够较为准确地反映推力器输出比冲和效率参数变化规律，可作为推力器输出参数便捷有效的评估手段。     

典型激光波长对纳秒激光烧蚀铝靶冲量耦合特性的影响

为研究532nm和1064nm两种典型激光波长对纳秒脉冲激光烧蚀铝靶冲量耦合特性的影响,在建立的热传导模型和羽流膨胀流体动力学模型基础上,加入了在激光烧蚀过程中靶材吸收系数、热导率和反射率等光学和热物理参数的变化,考虑了形成的等离子体羽流对入射激光的屏蔽作用因素影响,从而建立了一个复杂的一维纳秒激光烧蚀铝靶冲量耦合物理模型。通过计算,获得了两种激光波长辐照下,烧蚀过程中烧蚀参数和物理参数的变化,分析等离子体羽流对入射激光的屏蔽效应,进一步分析得到对冲量耦合特性的影响。结果表明:短波长激光不仅有利于激光与靶材的能量耦合,同时,短波长激光辐照下形成的等离子体羽流对短波长入射激光吸收率也较低,有利于提高靶的冲量耦合;在等离子体形成初期,即等离子体吸收率较低时,分别达到两种激光波长辐照下的最优冲量耦合。     

真空环境下纳秒脉冲激光烧蚀典型材料的推进流场特性分析

为研究纳秒脉冲激光烧蚀典型材料推进流场瞬态流动过程,采用流场显示阴影技术,实现纳秒级时间分辨率、毫米级空间分辨率的流场演化信息定量测量,解决激光烧蚀推进羽流的时间、空间高分辨率测量难题。对典型金属材料铝和典型聚合物材料的流场特性进行测量分析,并研究激光能量密度对羽流特性的影响。在典型时间尺度上,定性分析激光作用典型材料羽流特征与推进性能之间的关系。由于纳秒激光峰值功率高,当烧蚀金属材料Al时容易形成高温高压的等离子体羽流,等离子体喷射速度超过17km/s,等离子体羽流在百纳秒时间尺度离开靶面,对靶的力的耦合结束;当烧蚀聚合物PMMA和PVC材料时,PVC材料羽流喷射以等离子体和细小颗粒为主,喷射量较大且集中、方向性好,实验测量得到PVC工质真空羽流速度达到1500m/s,因此带来的反喷冲量以及推力都会较高。     

脉冲等离子体推力器羽流特性数值研究

以脉冲等离子体推力器羽流为研究对象,建立三维物理模型,简化并离散电子动量方程,运用单元粒子-直接模拟蒙特卡罗混合法模拟非稳态羽流流动.假定脉冲周期内推进剂粒子按正弦规律进入流场,分析流场中电势、电子、离子和原子数密度分布随着时间变化情况,并通过与已有实验数据的对比验证仿真模型.研究表明:模型能在垂直和平行于推力器极板的两个平面内预测等离子体羽流流场参数.该研究方法、结果对更深入研究脉冲等离子体推力器(PPT)羽流具有参考价值.      

脉冲等离子体推力器放电室构型参数的影响分析研究

通过开展脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster, PPT）放电试验,结合理论计算与分析,研究了放电室构型参数对推力器性能的作用机理与影响规律。结果表明：推进剂烧蚀表面附近电极间距的增大使放电电流的峰值降低;增大电极高宽比使电感梯度提高,并使电磁冲量得到提升。考虑到放电电流集中在推进剂表面附近,电流峰值主要受到放电室上游电极间距的影响,因此,采用在放电室下游增大电极扩张角的方法使电极高宽比增大,通过这种空间上的分离,能够解决增大电流峰值与提高电感梯度之间的矛盾,实现推力器电磁冲量的综合提升。相比于常规PPT所使用的矩形推进剂构型,V形的推进剂构型可有效提升推力器的气动冲量。     

脉冲等离子体推力器推进剂烧蚀传热计算

运用磁流体动力学的方法,建立脉冲等离子体推力器工作过程模型,展开三维仿真研究,对推进剂的烧蚀传热过程进行分析。通过该模型计算得到的推进剂烧蚀质量和元冲量能够反映出实验结果的大体趋势,同时针对不同电容以及两种不同推力室构型的情况进行了评估。结果显示,推进剂的温度变化波形反映着放电波形的变化波形,影响着推力室等离子体的流动,良好的推进剂表面温度分布更有助于推进剂的喷射过程。     

脉冲等离子体推力器烧蚀建模与仿真

为了深入地揭示平板型脉冲等离子体推力器（PPT）工作机理,通过对PPT在放电过程中的欧姆加热能量分配分析,建立了基于能量守恒原理的改进烧蚀模型,并对磁流体动力学方程中的能量方程进行了修正。结合LES-6对PPT工作过程进行了一维磁流体动力学数值仿真,获得了PPT的速度分布、放电烧蚀质量和元冲量等参数的变化过程。仿真结果表明,改进模型能正确地反映脉冲等离子体推力器工作过程,仿真得到的出口速度、元冲量与实验值吻合较好,而放电烧蚀质量则相对误差较大;当电容容量变化时,元冲量随放电能量增大呈近似的线性增长关系,放电烧蚀质量随放电能量的增大单调增加且呈非线性关系。     

圆柱形阳极层霍尔推力器内轮辐效应的实验研究

为了研究圆柱形阳极层霍尔推力器内关于电子反常输运的轮辐效应(Rotating Spoke),分别采用高速相机和静电探针来捕捉圆柱形阳极层霍尔推力器内的轮辐效应图像和等离子体震荡频率。结果表明:在放电电压350V,放电电流3.5A,阳极上表面处的磁场强度为125Gs,工作气压为2×10-2Pa时,由测得轮辐效应的放电图像和波形可知,轮辐效应的频率为10kHz～12.5kHz。当磁场强度增加到205Gs,放电电流增加到4A时,轮辐效应的频率增加到25kHz,并且轮辐效应出现分裂和合并现象。此研究结果表明,圆柱形阳极层霍尔推力器内不仅存在轮辐效应现象以及角向电场,而且不同的工作参数会有不同的轮辐效应模式和频率。     

氪气工质霍尔推力器束聚焦特性研究

以研究氪气替代氙气作为霍尔推力器工质时,等离子体束发散程度大等束聚焦特性问题为目的,通过以霍尔推力器磁场参数、放电电压和阳极工质流量分别作为单一变量进行实验研究,考察其对推力器等离子体束聚焦影响情况。使用HET-P70霍尔推力器进行相关实验,通过改变磁场参数来研究磁场位形对氪气工质推力器性能的影响,最终发现合适磁场位形形成的磁聚焦状态,即实验一中的工况3,可以使羽流发散角达到11.5°,此时推力器放电电压在400V,阳极工质流量3mg/s。另外,通过实验二和实验三,考察阳极工质流量和放电电压对氪等离子体束聚焦的影响机理,发现两个放电参数的变化主要改变了中性气体主电离区位置,进而影响等离子体束聚焦状态。电离位置在设定工况下外移9%,会使得羽流发散半角增大约12°。所以,磁场位形和中性气体的电离位置是影响氪等离子体束聚焦的重要因素,在对氪气霍尔推力器进行设计优化时应予重点考虑。     

微阴极电弧推力器工作性能影响因素研究

采用试验方法研究了微阴极电弧推力器中峰值放电电流及外加磁场对其推力、比冲、寿命的影响规律。试验结果表明:峰值放电电流增加,阴极烧蚀量增加,元冲量增大;相比于较低的峰值放电电流(10A),更高的峰值放电电流(40A)可延长推力器的工作寿命;外加磁场增强,推力器喷射等离子体轴向速度增大,比冲增加。     

用Xe和Kr作为霍尔电推进工质的比较

氪气作为一种惰性气体,其在地球上的资源相对于氙气要丰富很多,因此,作为氙气替代物的氪气研究,对于霍尔电推进系统的全面空间应用具有重要的意义。对亚千瓦级霍尔推力器使用氪气作为推进剂的性能、羽流进行了研究,并与氙气推进剂进行了比较。通过氪/氙气推进剂性能的比较,得出亚千瓦级霍尔推力器使用氪气作为推进剂时,性能有较大的下降,但是在大阳极流量、高功率工况下性能有变好的趋势。通过对氪/氙气羽流电子温度、电子密度、离子电流密度、离子能量的比较分析,找出了影响氪气推进剂性能的部分因素,为下一步氪气的应用研究工作提出了改进的方向。     

Influences of characteristic parameters on starting-up process of an arcjet thruster

Arcjet thruster has been a widely used electrical propulsion technology on GEO satellites since 1993. In its long history of technical development and commercial application, lifetime verification of an arcjet thruster is always one of the most important and expensive tasks. Considering that the main life limitation of an arcjet thruster is electrode ablation and a significant share of the total ablation happens in its starting-up process, the starting-up process is studied with arc voltage signals. Through interpretation of arc voltage signals, the transfer process of the arc root on the anode surface is identified, and ΔT (the duration of the arc root transfer process) is suggested to be a characteristic parameter for fast evaluation of lifetime assessment and design optimization for an arcjet thruster. With this criterion, the influences of typical parameters on the starting-up process are established through comparison with a benchmark parameter. According to experimental results, an increase of the gas flow will obviously reduce ΔT, while a smaller swirl aperture and a longer throat channel do not have a remarkable correlation with ΔT. Moreover, with a sample of a smaller throat diameter to increase the flow velocity, a reduction of ΔT is achieved. Meanwhile, the modifications also affect the stability of arcjet thruster operation, which is also discussed.     

节流孔板位置对空心阴极特性的影响研究

为满足全电推进系统的宽放电电流范围需求,开展了节流孔板内移研究。将传统结构空心阴极的一部分发射体转移到节流孔板下游,即节流孔板夹放在两段发射体之间。对比测试发现,新结构阴极的阳极电压大约降低4V,空心阴极的内压提升约50%,供气管外壁最大温差由原来的94℃下降到25℃,阳极电压振荡小于8V。进一步,利用光谱诊断系统,对阴极羽流区进行了研究。通过对羽流区等离子体固定位置进行全谱(400nm～1000nm)扫描,发现节流孔板内移之后,阴极羽流区新出现了波长为529nm和542nm的光线。利用Kura相机拍摄的羽流区二维等离子体分布图像显示,当放电电流为4A时,阴极羽流区的Xe和Xe+的密度低于传统结构空心阴极。宏观特性测试结果显示节流孔板内置式阴极可以在更宽的电流范围内维持点模式工作。可用于需要宽放电电流范围的全电推进系统以及需要低阴极供气流量、高比冲的小型电推进平台。     

配电方式对Kaufman离子推力器性能的影响研究

目前Kaufman离子推力器主要有两种最具代表性的配电方式:屏栅极电源正端分别连接阳极电源正、负端的配电方式。为了研究配电方式对Kaufman离子推力器工作性能的影响,基于等离子体理论和推力器工作原理,分析两种主要配电方式下放电室电极电势及电流平衡关系,推导了放电室等离子体特性表达式,理论分析了配电方式对离子推力器多种性能参数的影响。结合兰州空间技术物理研究所自研的LIPS300离子推力器在两种配电方式下工作在3kW和5kW的性能试验,通过解析方法对离子推力器多种工作参数和性能参数进行分析,试验结果与理论分析结果具有良好的一致性。研究表明:采用屏栅极电源正端连接阳极电源负端的配电方式能够获得更大的推力和比冲,并能提高离子对栅极透明度,减少离子对屏栅极的溅射,从而提高栅极寿命,但束离子产生成本稍高。研究结果可为离子推力器配电方式的设计与优化提供依据。     

多模式离子推力器流率特性实验研究

为了实现多模式离子推力器在宽功率范围内最优性能和可靠性,基于30cm多模式离子推力器通过实验开展了阴极和中和器羽状模式转变点流率、放电电压30V对应阴极流率和放电损耗曲线与束电流关系研究。30cm多模式离子推力器束电流从0.3A增加到3.3A时,阴极羽状模式转变点流率值从0.017mg/s增加到0.163mg/s,放电电压30V对应阴极流率从0.129mg/s增加到0.231mg/s,中和器羽状模式转变点流率从0.030mg/s增加到0.191mg/s。随放电室工质利用率的增加,在小束电流下放电损耗迅速增加;当束电流大于1.5A时,放电损耗对放电室工质利用率的变化较为迟钝。基于上述流率特性实验结果完成了30cm多模式离子推力器宽功率范围35个工作点下最佳流率设计。在设计的工作流率下,放电电压小于30V,阴极和中和器均工作在点状模式,实测推力为9.6mN~185.2mN、比冲为1332s~3568s、功率为258W~4761W。     

磁场对霍尔推力器放电特性及性能参数影响的粒子模拟研究

磁场强度及位形对霍尔推力器放电过程有显著影响。根据霍尔推力器通道尺寸和等离子体放电过程建立二维物理模型,采用粒子模拟方法,研究了不同磁场强度及位形等离子体放电特性,讨论了推力、推功比及放电电流的变化规律。模拟表明:当中轴线磁场强度峰值小于200G时,磁场对电子轴向传导约束减弱;当磁场强度峰值在200G～420G时,电子温度、电离率及电子与壁面碰撞频率降低,出口处离子径向速度增大,壁面腐蚀增加;当磁场强度峰值为280G时,加速区最短,放电电流最小。不同零磁点磁场位形会改变通道电离区和加速区位置,影响推力器放电性能。     

Coupling plasma plume of a low-power magnetically shielded Hall thruster with a hollow cathode

The coupling region of a Hall thruster with a hollow cathode is the region between the cathode and the thruster plume. The characteristics of plasma in that region are complicated and strongly associated with the thruster working conditions and the cathode position. In this paper, a laboratory 100 W class magnetically shielded Hall thruster was coupled with a hollow cathode. Optical imaging and electrostatic probe were employed to monitor and scan the plasma plume. Plume characteristics in the coupling region in non-self-sustained mode and self-sustained mode were compared. Evolution of the coupling plume with the cathode position was studied. Experiments show that, when turning the thruster into self-sustained mode or moving the cathode further away axially, the discharge current can be reduced by 6.4–10.6% restraining the electron current and improving ionization. In particular, when the cathode is moved further, the electron conduction near the channel walls is suppressed. The electron current is reduced by 27.4% and the ion beam current is increased by 7%. Overall, this work shows that the working mode of the thruster and the position of the cathode greatly affect the coupling plasma plume. Both play an important role in improving the utilizations of propellant and current.     

基于粒子模拟的舱内布局对霍尔推进器可靠性评估真空羽流的影响

对霍尔推进器地面测试过程中真空环境下的羽流流场进行模拟研究,通过直接蒙特卡洛(DSMC)方法进行多种布局方式下的系列数值模拟,重点研究地面测试设施中舱内的抽氙冷板、束流挡板在不同布局环境下对真空羽流流场的影响。数值模拟结果显示:抽氙冷板的布局位置对羽流流场影响较不明显,但应考虑舱内各处均布以防压力局部集聚过高形成阻力;束流挡板对返流粒子的抑制作用明显,对抽氙冷板等具有较好的防护功能,但也同时改变了羽流流场分布,甚至会影响到推进器的放电特性和性能表现。通过该数值模拟方法可以实现对舱内工艺设备的设计指导,对抽氙冷板、束流挡板等进行布局优化,继而为推进器地面测试提供更为有效的测试环境。