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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

自身场磁等离子体推力器数值仿真流场特性分析

磁等离子体推力器以其推力大、比冲高等特点,成为未来深空探测、星际航行任务首选的电推力器类型,研究推力器内部等离子体流场特性,有利于解释推力器出现的物理现象。针对特定自身场磁等离子体推力器,建立磁流体模型,使用TVD Lax-Friedrich格式以及ADI方法对推力器内部及羽流进行数值求解,得到等离子体流场及等离子体参数分布情况,仿真结果显示在高电流工况下,等离子体羽流更加集中,轴向加速效果更加显著,但高电流模式下阴极温度较高,不利于阴极的使用寿命。     

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。     

5 kW环型离子推力器试验研究

针对未来深空探测任务对高功率电推力器的需求,兰州空间技术物理研究所开展了5 k W环型离子推力器的研制。环型离子推力器放电室设计与传统离子推力器有很大不同,面临着放电不稳定、不均匀、放电损耗过大等潜在的技术风险。在原理样机完成设计、制造工作后,开展了试验研究工作,通过性能摸底试验对推力器电气参数变化规律进行研究并找到最佳的工作点,通过等离子体诊断试验对放电室内等离子体密度和电子温度分布情况进行研究。试验结果表明:环型放电室在很宽的放电电流范围内都有很高的稳定性,在单阴极偏置的情况下推力器束流仍然具有较好的均匀性,初步验证了环型离子推力器概念的可行性,为下一步优化设计打下了技术基础。     

放电电压和屏栅电压对离子推力器性能的影响

利用试验和数值模拟相结合的方法研究6 cm Kaufman离子推力器放电电压和屏栅电压的变化对其工作性能的影响。试验中,离子推力器使用氩气作为推进剂,测量了多组不同工况下的性能参数。此外,基于Goebel的理论模型模拟了放电电压对束流电流和推进剂利用率的影响;采用单元内粒子 蒙特卡罗碰撞（PIC-MCC方法模拟屏栅电压对束流电流、推进剂利用率和加速栅极电流的影响。试验和数值模拟结果一致,发现当放电电压逐渐增大时,引出的束流电流和推进剂利用率先增加然后趋于稳定;当屏栅电压逐渐增大时,引出的束流电流和推进剂利用率先增加然后趋于稳定,加速栅极电流先减小后趋于稳定。研究可以为提高多模式离子推力器的性能提供参考。     

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。     

用于PPT的扩散模型及其简化MHD方程组的解

本文对目前描述脉冲等离子体推力器放电过程的两个理论模型进行了简要的分析讨论,在此基础上,考虑到放电通道实际的几何尺寸及通道中等离子体的行为,提出了新的假设--扩散模型。以两个不同放电通道几何尺寸的推力器为例,分别按这三种模型进行了计算,并进行了实验。对此可以看出,用新的理论模型描述推力器的物理过程更为合适。在对推力器进行初始设计和性能分析时,可以利用本文给出的方法。      

磁拓扑结构对环型离子推力器放电性能的影响

为得到环型离子推力器最佳磁拓扑结构以有效提高推力器放电效率、降低放电损耗,对不同类型磁拓扑结构下的放电通道气体放电过程进行研究。采用PIC MCC数值计算方法对等离子体产生及运输过程进行数值模拟,分析磁场分布对等离子体密度分布、电子损耗率及放电稳定性的影响,结合统计结果,得到推力器放电性能曲线,最后进行试验验证。研究结果表明,相较多极场结构,环尖场磁构型能更好地约束电子运动,大幅降低其在阳极壁面损耗率,增加电子与中性原子碰撞概率,显著提高放电效率、降低放电损耗。     

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。     

高比冲霍尔推力器启动特性研究

高比冲霍尔推力器从霍尔推力器研制初期就得到重视，但是与工程应用相关的参数对比、电流变化和振荡特性特的研究较少。通过测量推力器在不同工况下推力大小、电流变化和电流振荡波形，给出了HET 80HP高比冲霍尔推力器的性能特点和启动特性。研究结果表明,HET 80HP高比冲霍尔推力器相对于传统霍尔推力器，在较大流量和较高放电电压工况下具有更好的性能。冷启动时，正常磁场情况下放电电流存在电流尖峰，并且需要较长的时间才能达到相对稳定。不同磁场位形热启动情况下电流的变化过程表明，电流尖峰是否存在主要与磁场位形有关，启动时温度的高低与电流尖峰是否存在没有明显关系。此外，通过对比不同磁场下推力器比冲和平均频率的变化可知，推力器低频振荡平均频率的高低能够较好地反映推力器比冲的大小。     

会切磁场推力器低频振荡特性

针对会切磁场推力器的低频振荡特性,将推力器的工作模式分为高电流模式和低电流模式,在此基础上研究了低频振荡随工作参数和磁场位形的变化特性,并针对推力系统外回路对低频振荡的影响进行了研究。结果表明,在高质量流量下,随着放电电压的增加,会切磁场推力器的工作模式从高电流模式转换为低电流模式。在高电流模式下,放电电流具有高振幅、低频率的特征,羽流比较模糊,并且电流振荡幅值随着放电电压增大呈先增大后降低的趋势,而对应的振荡频率随着放电电压的增大而增大。在低电流模式下,放电电流具有低振幅、高频率的特征,羽流有两条明显的亮线,并且电流振荡幅值和频率均随放电电压的增大而增大。在不同工况下,随着质量流量增大,放电电流振荡幅值和频率均呈现增大的趋势。研究还发现,外回路中的电阻和电感对低频振荡起到一定的抑制作用,而电容对低频振荡的影响并不明显。     

背景压强对电推进羽流场影响的数值模拟

真空舱内背景压强是电推力器地面试验过程中影响工作性能评估和羽流场参数诊断的重要参数。针对LIPS-200型离子推力器羽流场参数的数值仿真中采用的背景压强建立方法进行了仿真分析。仿真中采用混合粒子网格(PIC)方法和直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法处理羽流场中等离子体运动和粒子间碰撞,分别采用虚拟粒子和计算粒子建立压强的方式,对电推进羽流场进行了数值模拟,并与绝对真空环境进行对比分析。结果表明:背景压强的存在导致中性粒子和电荷交换离子数密度较绝对真空环境高1个量级以上。虚拟粒子可大幅提高计算效率,获得的流场中电荷交换离子分布与计算粒子结果相近,但中性粒子分布相差较大,虚拟粒子无法表征壁面及真空泵的影响。      

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%。     

圆柱形霍尔推力器轮辐效应试验研究

为了研究圆柱形阳极层霍尔推力器运行过程中的轮辐效应〖BF〗（〖BFQ〗rotatingspoke〖BF〗）〖BFQ〗旋转频率在相关工作参数影响下的变化规律,找出抑制轮辐效应的方法,采用了将环形阳极分成独立两段的设计方案,通过观测两个独立阳极段之间的信号随放电电压、工质输送速率等参数的变化来定性定量开展试验研究。试验观测结果表明,该推力器在运行过程中,随着放电电压和气压的增加,轮辐效应旋转频率相应地获得提高;在近阳极区域的轮辐效应是普遍存在的,即使是在高电压的条件下;轮辐效应旋转频率主要在10~45kHz;轴向电流振荡在独立阳极段总电流中约占50%。减小工质流量,降低放电电压有利于抑制轮辐效应。     

微阴极电弧推力器磁路设计

微阴极电弧推力器是一种利用真空条件下放电电弧烧蚀阴极材料产生较高电离度的高速等离子体,并在外加磁场作用下喷出以产生推力的微型电推力器。微阴极电弧推力器磁场设计是推力器设计中的重要工作之一,将影响推力器工作稳定性和工作性能。分别采用多匝通电螺线管计算公式、二维和三维数值仿真完成磁路设计,磁感应强度随线圈电流和线圈匝数增加而变大;当线圈电流15A、线圈匝数为600匝时,放电通道中心线磁感应强度最大值超过0.3T;采用特斯拉计测量磁感应强度,仿真结果与测量结果吻合较好。最后采用时间飞行法（TOF）测得等离子体速度随磁场增强而增加。     

大功率霍尔推力器应用的滤波单元建模分析

放电电流低频振荡的抑制是霍尔推力器应用的主要问题之一,使用RLC滤波单元是抑制霍尔推力器放电电流低频振荡的最常用方法.对于大功率霍尔推力器而言,传统的RLC滤波器存在直流功耗大、发热严重的问题.提出并设计了一种新型耦合电感结构的滤波器,相比于传统的RLC滤波器,耦合电感结构的滤波器通过合理的参数设置存在明显的陷波特性,具有更好地抑制低频振荡的效果.对建立的电路模型进行仿真分析,得到了不同耦合电感参数的选择对低频振荡频率信号的衰减作用以及陷波频率的影响因素.结果表明：耦合电感结构的滤波器可有效降低电感值,从而降低滤波器的功耗和发热量,在理论上具有陷波特性的耦合电感结构滤波器对低频振荡具有较好的抑制特性,可以有效降低放电电流低频振荡对电源系统的干扰,具有显著的工程应用价值.