霍尔推力器羽流对太阳翼的溅射影响规律

霍尔推力器羽流对太阳翼的溅射作用是影响翼板工作性能、卫星供能稳定性的重要因素。为深入研究霍尔推力器羽流在不同布置工况下对太阳翼的溅射影响规律,采用单元粒子/直接蒙特卡洛碰撞模型（PIC/DSMC）求解羽流等离子体的输运过程,其中对离子的扩散作用采用基于菲克定律的求解模型,并以Yamamura溅射模型来求解等离子体对太阳翼表面的溅射产额。为验证修正扩散模型后的算法精度,在真空舱内开展羽流诊断试验,以试验与计算结果的对比来修正扩散经验参数以及验证计算精度。试验结果表明,在扩散系数kd=126×10-36N·m4时,该模型计算误差在87%左右。在此基础上,对不同的推力器方位角、推力器与翼板距离工况,开展羽流对太阳翼的溅射产额计算。计算结果给出太阳翼表面溅射分布随方位角、距离增加的依变规律,并进行了相关透光率影响程度的讨论,可对推力器的星上布置提供参考依据。     

霍尔推力器预电离对低频振荡及壁面腐蚀影响的研究

ATON型霍尔推力器提出后,基于缓冲区的预电离现象的系列研究随之展开。但是迄今为止,预电离率的选择仍然未有定论。文章基于SPT-100型霍尔推力器的真实工作尺寸,建立了二维轴对称全粒子网格质点法（PIC）模型对推力器放电室内的放电过程进行模拟,并通过施加不同的缓冲区预电离率着重研究了预电离率与放电通道低频振荡和推力器壁面腐蚀之间的关系。研究结果显示,缓冲区预电离率的提高可以有效抑制放电通道内的低频振荡,使推力器工作性能提高。但与此同时,由于撞击通道壁面的离子能量增加导致通道壁面腐蚀加剧。     

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。     

磁屏蔽霍尔推力器技术的发展与展望

磁屏蔽霍尔推力器技术是近年来霍尔推进领域最具影响的创新突破,对于拓展霍尔推力器的应用范围,提高推力器的寿命具有重要意义。介绍了磁屏蔽霍尔推力器的原理及优缺点,从磁屏蔽的提出与验证、不同功率量级霍尔推力器的磁屏蔽技术以及磁屏蔽霍尔推力器热设计、背景压力敏感性、振荡模式转换等方面介绍了磁屏蔽的研究现状,并对未来磁屏蔽霍尔推力器技术的发展进行了展望。     

供气周向不均匀对霍尔推力器放电特性及性能的影响

研究发现,由于气体分配器安装及制造误差,或者出气孔被溅射产生的粒子阻塞容易导致霍尔推力器周向出气不均匀。采用堵塞气体分配器出气孔的方式实现周向不均匀气体分布来研究供气周向不均匀程度对霍尔推力器放电特性及性能的影响,试验得到了不同情况下的电流特性、近场区离子电流密度分布以及整体性能参数。结果表明,出气周向不均匀导致放电电流增加,增量最大可达25%以上,放电电流振荡严重,同时减小了推力器的效率和比冲。     

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。     

温度对磁屏蔽霍尔推力器磁场构型的影响研究

霍尔推力器磁路设计主要通过常温静态磁场仿真得到，并实测推力器非工作状态常温磁场进行复核。大功率霍尔推力器将面临更为严峻的热问题，推力器工作时磁路系统受高温影响，因此在常温下仿真得到的磁场位形会因温度升高而产生偏移，不能反映推力器真实工作时的磁场情况。为研究霍尔推力器工作时热量对磁路系统的影响，通过热磁耦合仿真对10kW磁屏蔽霍尔推力器的热态磁场分布进行研究，并对热态、常温仿真结果进行了对比，发现在阳极附近的径向磁感应强度Br的差异比放电室出口更大。常温设计的磁屏蔽构型在热态时偏离磁屏蔽，磁场和壁面最大不符合度达到13%，通过陶瓷出口型面修正后重新获得磁屏蔽效果，使最大不符合度降低到4.8%以下。合理热设计有助于降低热载荷，热仿真得到磁路系统最高温度低于500℃，低于0.78倍的居里温度Tc磁性急剧转变点，不会出现磁性能急剧下降，但热量对磁屏蔽霍尔推力器磁场构型的影响是应该考虑的。     

同心嵌套式霍尔推力器参数设计方法研究

结合未来国内外对大功率场霍尔推力器的需求,论述同心嵌套通道式霍尔推力器研究现状,技术优势。针对嵌套通道式霍尔推力器参数设计方法的空白,介绍了一种可行的嵌套通道式霍尔推力器的结构和磁路;提出了一种以阳极功率和比冲为输入,确定嵌套通道式霍尔推力器通道数目、各通道结构参数和工作参数的方法;结合磁路设计和热设计,给出了优化嵌套通道式霍尔推力器的参数的路径;填补嵌套通道式霍尔推力器参数设计和优化的空白,为其工程应用提供参考。     

霍尔推力器在轨羽流图像诊断方法

为便于霍尔推力器羽流在轨诊断测量,文章提出了一种基于光谱诊断衍生出来的图像诊断方法。首先对推力器羽流进行光学图像采集,然后提取出能够反映羽流不同谱段光强信息的红绿蓝三通道数据;同时结合相机成像原理分析,得到不同通道的像素点灰度值与羽流光谱强度的对应关系;并且基于光谱碰撞辐射模型,建立了羽流图像计算模型。研究结果表明,利用图像诊断方法计算得到的羽流区电子温度和离子密度分布规律均与探针试验结果相吻合,计算的相对不确定度分别约为20%和15%,说明了该诊断方法精度适中,具有较高的可靠性,适用于在轨诊断霍尔推力器羽流等离子体参数。     

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。     

面向深空探测的30cm离子推力器寿命预估

为评价30cm离子推力器的寿命,提出了有限寿命考核结合栅极仿真模型的推力器寿命预估方法,利用粒子-蒙特卡洛（PIC-MCC）方法建立了栅孔溅射腐蚀模型,开展了30cm离子推力器寿命预估研究,分析了栅孔刻蚀速率、单孔电场及离子引出特性,给出了30cm推力器寿命预估值。结果表明,栅孔直径仿真与实测值一致性较好,误差在20%以内,基于每个寿命小节栅孔实测值对模型的修正是有效的;根据仿真结果,10000h寿命考核后,减速栅最先失效,30cm离子推力器在最大功率（3kW）工况下预估寿命为37540h,能够满足小天体探测任务对电推进系统的长寿命需求。     

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。     

Effect of matching between the magnetic field and channel length on the performance of low sputtering Hall thrusters

Discharge characteristics of a non-wall-loss Hall thruster were studied under different channel lengths using a design based on pushing a magnetic field through a double permanent magnet ring. The effect of different magnetic field intensities and channel lengths on ionization, efficiency, and plume divergence angle were studied. The experimental results show that propellant utilization is improved for optimal matching between the magnetic field and channel length. While matching the magnetic field and channel length, the ionization position of the neutral gas changes. The ion flow is effectively controlled, allowing the thrust force, specific impulse, and efficiency to be improved. Our study shows that the channel length is an important design parameter to consider for improving the performance of non-wall-loss Hall thrusters.     

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.