电荷交换离子对栅极系统束流影响的数值研究

采用二维网格质点法(PIC)计算离子在离子发动机栅极系统中的运动, 通过在模型中添加离子和中性粒子电荷交换的Monte Carlo碰撞模块, 得到了电荷交换离子在栅极周围的分布及电荷交换离子的运动规律.计算结果表明:考虑电荷交换离子后, 屏栅极电流较不考虑电荷交换离子情况时增大了1.42%, 所受影响不大, 加速栅极电流由0增大到主束流电流的1.41%.模拟结果表明:加速栅极下游较远处产生的电荷交换离子, 是造成加速栅极下游面腐蚀及加速栅极电流的主要原因.      

离子发动机栅极系统中束流离子的三维模拟

应用网格质点法,对离子发动机栅极系统进行了三维数值模拟.模拟得到了离子发动机栅极系统中的电场分布、离子运动轨迹、离子在计算域内的空间分布和相空间分布等.计算结果表明,屏栅的离子透明度为69.3%,大于其物理透明度67.1%,加速栅的离子透明度为100%,远大于其物理透明度31.1%,说明所选模拟工况参数合理.模拟结果可以为离子发动机栅极的初步设计提供理论参考.      

考虑电荷交换的三维离子发动机栅极粒子模拟

为了对离子发动机光学系统进行数值分析，开发了考虑电荷交换的三维离子发动机栅极粒子模拟程序。模拟程序采用单元内粒子（PIC）方法，光学系统为双栅极结构，推进剂采用氙，总加速电压为1600V，栅极间距为1mm，粒子之间的电荷交换碰撞模型采用蒙特卡洛方法。采用链式存储结构存储粒子信息，可以实现数组式存储方法所不能实现的功能。使用粒子模拟程序对离子发动机光学系统进行了粒子模拟，模拟得到了栅极间的电场分布和氙离子空间分布。模拟结果表明，在所取工作参数下氙离子全部通过了栅极孔，未撞击到栅极上，验证了参数的合理性。     

三栅极离子推力器电子反流失效影响参数的敏感性研究（空间推进专刊）

针对电子反流失效模式主导的三栅极离子推力器加速寿命试验加速应力选择及长寿命优化,需要开展影响参数的敏感性对比研究,采用Hybrid-PIC-MCC（Particle in Cell- Monte Carlo Collision）方法,构建了三栅极系统数值仿真模型。采用模型研究了地面真空舱本底压力、屏栅电压、加速栅电压、屏栅与加速栅间距、屏栅上游等离子体密度和放电室工质利用率等参数的影响敏感度对比。研究结果显示真空舱本底压力可以作为加速寿命试验的首选加速应力,在推力器结构和工作本征参数中工质利用率为最敏感应力,其次是屏栅电压、屏栅上游等离子体密度、加速栅电压、屏栅和加速栅间距。研究结果为三栅极离子推力器地面加速寿命试验验证方案设计和长寿命优化设计提供了数据支持。     

离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀的粒子模拟

为研究离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀速的特征及影响规律,采用单元内粒子——蒙特卡罗碰撞(PIC-MCC)方法,结合溅射腐蚀模型,模拟了栅极间束流离子及交换电荷(CEX)离子的分布情况,得到离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀情况及平均腐蚀率,为0.0176μm/h。进一步研究了工作参数和几何参数对其影响,并建立了适用于工程应用的加速栅极孔扩大腐蚀预测模型。结果表明,在影响孔扩大腐蚀率各种因素中,束流电流密度和中性气体密度的影响最大。因此,在离子发动机直径一定的情况下,提高放电室出口等离子体密度的均匀性及推进剂利用率,是提高栅极寿命的根本途径。      

离子推力器欠聚焦冲击电流的数值模拟

离子光学系统的离子束引出过程是离子推力器重要的物理过程,该过程直接关系到推力器的推力、比冲、效率等参数。为研究离子在离子推力器光学系统中的运动特性,使用了基于IFE-PIC（Immersed Finite Element Particle-In-Cell）的离子推力器光学系统离子束引出过程的三维数值计算模型,计算了栅极间电场分布、电荷密度,栅极冲击电流及欠聚焦极限。计算结果表明,当屏栅极电压不同时,发生欠聚焦的等离子束电流也不同。在欠聚焦工况下,一部分离子与栅极碰撞,产生冲击电流。冲击电流随电离室等离子体数密度增加而增大。     

三栅极离子推力器电子反流失效影响参数的敏感性研究

电子反流失效模式是离子推力器关键失效模式之一,决定推力器工作寿命。为明确各参数对电子反流失效模式的影响程度,确定加速应力,为地面加速寿命实验验证方案和长寿命优化设计提供数据支持,采用Hybrid-PIC-MCC (Particle in Cell-Monte Carlo Collision)方法,构建了三栅极系统数值仿真模型。采用模型研究了地面真空舱本底压力、屏栅电压、加速栅电压、屏栅与加速栅间距、屏栅上游等离子体密度和放电室工质利用率等参数的影响敏感度对比。研究结果显示,真空舱本底压力可以作为加速寿命试验的首选加速应力,在推力器结构和工作本征参数中工质利用率为最敏感应力,其次是屏栅电压、屏栅上游等离子体密度、加速栅电压、屏栅和加速栅间距。     

离子推力器栅极系统电子反流阈值的数值分析

阻止束流等离子体中电子反流到加速栅上游区域是离子推力器加速栅负电压的主要作用之一,能够阻止电子反流的加速栅电压最小值称为电子反流阈值。加速栅电压的选择直接影响到离子推力器的工作性能和运行寿命,电子反流阈值电压是确定加速栅电压的重要参考参数。基于PIC方法计算了20cm氙离子推力器加速栅电子反流阈值,并分析了加速栅孔径、栅间距、单孔引出束流电流大小对加速栅电子反流阈值电压的影响,计算结果与试验测量值符合较好。该数值模型为加速栅参数的选择和降低电子反流失效风险方法提供了参考,为下一步电子反流现象对加速栅寿命的预测分析奠定了基础。     

离子发动机加速栅极腐蚀深度的DFF测量与数值模拟

使用聚焦深度表面测量(DFF)方法对加速栅极下游表面腐蚀深度进行了测量,并将测量结果与数值模拟结果进行了比较,所使用的数值方法为PIC-Monte Carlo方法.利用数值模拟程序对离子发动机栅极腐蚀进行了数值模拟.以氙为推进剂,栅极材料为钼.用蒙特卡罗方法模拟了氙离子与中性氙原子之间的电荷交换碰撞.模拟得到了加速栅极下游表面离子溅射腐蚀的深度分布,腐蚀模式与"Pits and grooves"模式相吻合.      

电子回旋共振离子推力器栅极光学系统的PIC/MCC模拟

为了寻求日益昂贵的电推力器工质氙气的替代品,探讨氩气作为电子回旋共振离子推力器工质的适用性,采用混合PIC方法模拟了氩等离子体在栅极光学系统中输运过程,分析了氩离子束流的聚焦效果、氩等离子体的空间分布和流动特性。结果表明:氩离子束流在已有栅极系统中具有良好的聚焦效果;束流中CEX离子仅占离子总数的万分之一,影响较小;氩气作为工质时,离子喷射速度为75km/s,加速栅极后回流速度为38km/s,与电动力学理论预估值一致。     

离子推力器加速栅寿命概率性分析

交换电荷离子对加速栅极的溅射腐蚀是离子推力器的关键失效模式之一,基于交换电荷离子对加速栅溅射腐蚀的物理机理,对离子推力器加速栅工作寿命进行了概率性建模。利用该模型对20cm Xe离子推力器加速栅寿命和其达到预期寿命的可靠度进行了评估。结果显示加速栅的寿命近似服从高斯分布,当推力器工作环境压力近似6.7×10-3Pa时,加速栅工作寿命达到3kh的可靠度为0.9352。     

Particle simulation of grid system for krypton ion thrusters

The transport processes of plasmas in grid systems of krypton (Kr) ion thrusters at different acceleration voltages were simulated with a 3D-PIC model, and the result was compared with xenon (Xe) ion thrusters. The variation of the screen grid transparency, the accelerator grid current ratio and the divergence loss were explored. It is found that the screen grid transparency increases with the acceleration voltage and decreases with the beam current, while the accelerator grid current ratio and divergence loss decrease first and then increase with the beam current. This result is the same with Xe ion thrusters. Simulation results also show that Kr ion thrusters have more advantages than Xe ion thrusters, such as higher screen grid transparency, smaller accelerator grid current ratio, larger cut-off current threshold, and better divergence loss characteristic. These advantages mean that Kr ion thrusters have the ability of operating in a wide range of current. Through comprehensive analyses, it can be concluded that using Kr as propellant is very suitable for a multi-mode ion thruster design.     

Ion thruster accelerator grid erosion mechanism under extreme conditions of cylindrical erosion and chamfer erosion

In this paper, the abnormal experimental phenomenon on barrel erosion under extreme working conditions in the ultra-long life experiment(>10000 h) of ion thruster ion optics is studied by the Immersed-Finite-Element Particle-In-Cell Monte-Carlo-Collision(IFE-PIC-MCC) method and the grid erosion evaluation model. The transport process of beam ions and Charge Exchange(CEX) ions in the grid system, and the characteristics and mechanisms of the aperture barrel erosion under extreme erosion condit...     

Numerical Simulation of Characteristics of CEX Ions in Ion Thruster Optical System

Charge exchange(CEX) ions could inflict severe damages on the ion thruster optical system. This article is aimed at investigating the characteristics of the CEX ions and their influences upon the optical system by means of particle-in- cell(PIC) ion simulation and Monte Carlo collision(MCC) methods. The results from numerical simulation indicate that despite the fact that CEX ions appear in the entire beamlet region near the ion optical system, the ones that present themselves downstream of the accelerator grid have good reason for attracting more attention. As their trajectories are significantly affected by the local electric field, a great number of CEX ions are accelerated toward grids resulting in sputtering erosion. When the influences of the CEX ions are considered in the numerical simulation, there could hardly be observed augments in the screen grid current, but the accelerator grid current increases from zero to 1. 4% of the beamlet current. It can be understood from the numerical simulation that the CEX ions formed in the region far downstream of the accelerator grid should be blamed for the erosion on the downstream surface of the accelerator grid.     

基于加速栅溅射腐蚀失效的离子推力器寿命预测

离子推力器加速栅溅射腐蚀失效是制约离子推力器寿命的关键失效模式之一.针对离子推力器长寿命、多功率条件下运行的特点,基于坑和凹槽的溅射腐蚀数据,建立模型对其进行寿命预测.通过研究离子推力器加速栅中心凹槽腐蚀深度在不同功率段下随工作时间的变化规律发现:运行功率顺序对加速栅凹槽腐蚀率影响较小,进而采用累积损伤理论建立离子推力器多功率段下运行的寿命预测模型.最后, 对美国的NASA's Evolutionary Xenon Thruster(NEXT)进行了寿命预测,预测结果寿命为46041h,与试验结果符合较好.      

离子推力器双阶栅极系统引出性能研究

针对基于最优导流工况设计的双阶四栅栅极系统在多工况下的引出性能,采用浸入式有限元和粒子云算法(IFE-PIC)对其聚焦和引出过程进行了研究.研究结果表明,相较于相同聚焦电压下的传统栅极系统,基于最优导流工况设计的双阶四栅栅极系统由过聚焦进入正常聚焦的拐点右移,栅极系统的引出性能变差.因此建议双阶栅极离子推力器在设计时使...