微脉冲等离子体推力器放电过程和性能初探

针对平板烧蚀型微脉冲等离子体推力器（μ PPT）,开展了放电过程研究和性能表征。根据放电过程的电学测量和等离子体区域的发光行为分析,研究了μ PPT的基本放电特点和放电形态演变。从空间分布看,μ PPT放电空间可分为3个区域（阴极区、弧柱区和阳极区）,随着放电间隙的减少,阳极区逐渐消失。从时间分布看,μ PPT放电是由多个幅度不同的脉冲放电构成,放电回路和放电间隙的阻抗分布决定放电脉冲的数量,一定条件下可以发生单脉冲放电。根据μ PPT等离子体区的电流片模型,估算了μ PPT元冲量和推力等基本性能参数。结果表明,放电间隙和烧蚀量对μ PPT性能参数有重要的影响,相同脉冲放电能量时,放电间隙越大,元冲量越大,烧蚀量也越大,导致比冲越小。放电时空形态是影响μ PPT的元冲量和比冲的关键因素,因此,开展放电回路和放电间隙的阻抗优化研究是提高μ PPT性能的有效途径。     

脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究

为了对脉冲等离子体电磁加速机理有清晰的认识，为后续推力器性能的优化和产品的小型化提供理论基础,需要对脉冲等离子体推力器的特性进行数值研究。利用包含电容、电感、平行板电极、等离子体的一维集成电路模型,开展了脉冲等离子体推力器的数值模拟研究。通过改变初始放电电压和电极间距的大小，系统地研究了脉冲等离子体推力器的初始放电电压、电极间距对推力器电磁加速的影响。结果表明，在其他参数不变的情况下，推力器的推力、比冲、元冲量，以及等离子体的密度、温度随推力器初始放电电压的增加而增加；同样，增加电极间距也能够提高推力器的推力、比冲；然而，电极间的阻抗会随电极间距的增加而增加，导致推力器的点火难度也随之增加，因此脉冲等离子体的电极间距存在一个最优值。     

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%。     

新型固体工质脉冲等离子体推力器试验研究

脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster，PPT）因其推力小、质量轻、功率低等特点，被认为是微小卫星执行某些推进任务的电推进装置之一，但因效率低下，一直为人所诟病。针对这一现状，将聚四氟乙烯（PTFE）掺入质量配比为2%、5%（6%）、10%和15%的铜和碳,制成掺铜工质（PTFE-Cu）和掺碳工质（PTFE-C）。在3种不同放电能量（1J、1.44J、2.25J）下，测量PPT使用这些工质工作时的电压、电流和脉冲烧蚀质量，并根据结果估算PPT的元冲量、比冲、效率等推进性能。此外，还基于发射光谱理论，对等离子体的种类、特性进行了诊断研究。研究结果表明，烧蚀质量随掺杂量的增加而增加；元冲量随着掺碳量的增加而增加，PTFE-Cu-10%的元冲量最大，为56.47(μN?s)；使用PTFE-C-2%和PTFE-Cu-10%时，PPT的性能最好；掺碳和铜在一定程度上促进了PPT的电离过程，进而提高了推力器效率。     

脉冲等离子体推力器放电电离二维PIC建模与仿真

摘要： 针对脉冲等离子体推力器（PPT）的放电过程,利用粒子网格 蒙特卡洛（PIC MCC）方法建立仿真计算模型.以LES 6 PPT为例,加入电离碰撞进行电离仿真.通过粒子运动碰撞与电磁场耦合仿真计算得到电流与电路总电阻的变化规律,揭示了PPT放电过程中等离子体密度分布情况.通过对比不加入粒子预分布与加入粒子预分布的两种条件下的计算结果,得到了加入粒子预分布使带电粒子密度计算结果更接近实验结果的结论.根据PPT的工作过程,在放电之前推力器内存在等离子体,所以在仿真研究中应进行粒子的预分布.文中的研究方法对PPT的粒子方法模拟具有一定的参考意义.     

脉冲等离子体推力器微推力测试技术的述评

对脉冲等离子体推力器(PPT)的微推力测试技术,并对几种典型的进行单脉冲冲量、平均推力等参数测量的推力测试系统和手段进行了描述和分析,对PPT微推力测试过程的细节进行了初步探讨,可为PPT微推力测试和研究提供有益参考。     

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。     

磁屏尺寸对霍尔推力器性能影响的仿真研究

磁屏作为霍尔推力器磁路系统的重要组成部分,其尺寸对磁感应强度分布具有重要影响。为探究其中的影响规律,以一台低功率霍尔推力器为研究对象,首先采用Maxwell有限元方法软件对磁屏在不同的轴向和径向尺寸下形成的磁场进行仿真,结果表明一组尺寸使推力器磁场位形达到最优。然后以该尺寸作为设计标准,采用PIC方法对霍尔推力器在阳极电压及气体流量分别为200 V及0.8 mg/s条件下放电通道内等离子参数分布进行仿真。最后根据离子速度和数密度等参数,计算得到推力器的推力、阳极比冲和阳极效率分别约为6.9 mN、880 s及41.89%。该仿真为霍尔推力器的磁场设计提供理论依据,为未来的实验研究提供数值参考。     

霍尔推力器分割高偏压电极等离子体放电特性

霍尔推力器通道等离子体与壁面有很强的相互作用,为了降低壁面腐蚀,提高在轨寿命, 针对推力器全通道放电过程建立二维物理模型,采用粒子模拟方法（Particle In Cell）,数值研究了电离区壁面分割高于阳极偏压的低发射石墨电极对推力器放电特性的影响,讨论了放电通道电势、离子数密度、电子温度、电离速率及比冲的变化规律。结果表明：在电离区不同位置分割高偏压电极对等离子体放电特性影响明显,电极位置在电离区前端时,电极偏压高于阳极电压60V时通道内放电等离子体参数几乎不变。而电极位置在电离区末端,电极偏压高于阳极电压18V时就会导致加速区轴向扩张,离子聚焦效果强,电子温度显著升高,电子与壁面相互作用减弱,羽流发散角减小。由此推力器比冲提升约12%,寿命延长,性能提高。     

平面感应式脉冲等离子体推力器高速脉冲气体供给阀的试验验证

摘要： 本文针对国防科技大学的平面感应脉冲等离子体推力器（IPPT）原型机，设计了一种基于感应涡流斥力原理的快速脉冲气体供给阀.该阀采用截锥型铍青铜簧片作为执行构件，依靠簧片开启过程中弹性变形产生的弹力提供闭合所需回复力，避免了使用额外的回复力机构,使阀整体结构得到极大简化.性能测试结果表明，该阀的动作延迟时间小于35 μs.在阀腔气体压力为100 kPa时，最大单脉冲供气量为2.5 mg.响应特性和供气量特性均满足目前IPPT原型机的需求.此外，该阀可通过调节初始充电电压和阀腔气体压力实现供气量调节.该阀可以为后续推力器原型机多工况性能试验提供有力支持.     

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。     

无中和器射频离子推力器原理研究

在电推力器的广泛应用中,大部分都采用加速正离子的方式产生推力,且需要安装中和器发射电子对喷射出的正离子进行中和,否则会导致航天器自充电,对其通信及电子器件造成损害。因此,中和器的性能成为制约电推力器工作状态和寿命的重要因素。为了克服该缺点,介绍了一种基于同时加速正、负离子的无中和器射频离子推力器,阐述了其结构组成及推进原理,分析了离子-离子的产生、正负离子的加速过程,指出了关键技术包括电负性工质气体放电特性、磁场过滤电子束缚效能,以及可周期性交替加速正、负离子的栅极偏置电压加载方式。分析表明,该推力器在低轨航天器及深空探测器中具有潜在的应用前景。     

基于序列二次规划的推力矢量控制分配方法

  针对使用推力矢量控制的航天器,建立了游动发动机的数学模型,在分析了游动发动机摆角约束的基础上,提出了推力矢量控制分配问题。将该控制分配问题转化成以力矩误差最小和对变轨推力影响最小作为优化目标的多目标优化问题,引入序列二次规划进行求解,得到一种新的控制分配方法。仿真结果表明,该方法能够准确实现期望目标,验证了所提出的控制分配方法的可行性和有效性。     

场发射电推力器的参数选择与调控方法

场发射电推力器具有几种不同的发射模式，分别产生荷质比不同的带电液滴或带电离子，使得不同模式下推力性能差别显著。针对不同的空间应用，需要设计不同种类的场发射电推力器，使其达到相应的推力参数。为此对场发射电推力器的发射过程展开分析，确定了推力参数的调控方法。首先对场发射电推力器的基本工作原理进行了阐述，并对不同发射模式的基础物理机制进行了分析。在此基础上通过理论计算得出采用不同推进剂可达到不同发射模式这一结论，并最终得出推力器性能参数的调控方法，论证了推力性能受到推进剂种类和发射模式的影响，在离子发射模式下处于高比冲、低推力工况，而液滴发射模式下处于低比冲、高推力工况。此外推力参数还受到供给流量、外加电压等多种因素的影响。在得到推力器参数的调控方法后，设计了一种主动供给型离子液体电推力器，以离子液体EMI BF4作为推进剂，进行了相应的试验研究。通过改变外加电压，实现了对推力器推力性能的调控，证实了此调控方法的可行性。推力器达到的推力范围为1.6~10μN，比冲范围为154~978s。     

无电极洛伦兹力推力器技术发展研究

近年来,为了适应深空探测、载人航天、航天器在轨服务等空间任务的需求,大推力、高比冲、长寿命、高推力密度的高功率电推进技术吸引了众多学者的持续关注.相比于其他类型的高功率电推进技术,无电极洛伦兹力推力器(ELF)在推力密度、推重比等指标上具有明显优势,且从原理上克服了电极烧蚀对高功率电推力器寿命的制约,具有广阔的应用前景.本文针对国内外高功率电推进设备的研究现状,对比ELF推力器研制过程技术途径的异同,详细介绍其各部组件的发展概况,分析研究过程中遇到的问题,提出未来ELF推力器的重点研究方向.