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.      

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...     

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。     

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.      

离子发动机羽流特性的数值模拟

离子发动机羽流中产生的交换电荷(CEX)离子返流会影响航天器的正常工作.建立离子发动机羽流模型,采用单元内粒子方法(PIC)对羽流场进行数值模拟计算.结合DS-1探测器飞行实验的测量结果,分析了卫星电势、电子温度、卫星几何尺寸、推力器工作特性等对相关因素对CEX离子返流特性的影响.结果表明:从推力器出口附近到卫星背面,CEX离子密度为108~1012m-3.当卫星电势从-15V变化到27V,测量点位置处CEX离子密度从0.65×1012m-3变化到1.5×1012m-3.羽流中CEX离子密度和电势结构随电子温度变化不大,但电势大小随电子温度成比例地变化.同一位置处不同工况下CEX离子的密度可根据CEX离子生成率与工作点参数间的关系式准确地估计.卫星安装推力器的表面起着对CEX离子返流屏蔽和降低的作用.      

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.      

离子发动机栅极系统电子回流数值模拟

以离子发动机栅极系统为研究对象,基于网格质点法(PIC),建立了二维数值计算模型.利用模型能够较好地模拟离子在栅极系统中的运动,得到栅极系统周围的电势分布以及离子和电子的密度分布等.进一步的计算结果表明,在几何参数一定的条件下,加速栅极电压以及加速栅极孔径对加速栅极下游的电子密度分布有重要的影响.选取合适的加速栅极电压和孔半径,可以阻止电子回流的产生,使离子发动机获得较佳的性能.      

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。     

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.      

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...     

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.     

考夫曼离子推力器放电室数值模拟研究综述及展望

首先分析了影响考夫曼离子推力器放电性能的关键因素,然后按照仿真模型的维度对考夫曼离子推力器放电室数值模拟方法进行了分类综述和优缺点分析,并针对以流体方法为基础的各向异性界面问题进行了分析。在此基础上,概述了零维模型、二维模型和三维模型下针对放电室所取得的数值模拟研究结果。最后对考夫曼离子推力器放电室数值模拟研究进行了总结及展望。     

离子推力器羽流场模拟以及Mo+CEX沉积分析

离子推力器工作产生的羽流会对航天器产生影响,严重时甚至会造成航天器无法正常工作,为了精确评估离子推力器羽流特性及其对航天器的作用,采用基于粒子轨道理论(PIC,Particle-In-Cell)的模型对复杂的航天器的离子推力器羽流进行了数值模拟,并结合最近几年发展起来的浸入式有限元(IFE,Immersed Finite Ele-ment),采用结构网格准确计算复杂边界电场。通过模拟,获得了Mo+CEX离子在卫星表面的最大可能沉积分布,定量分析了卫星表面Mo+CEX离子的最大可能沉积率,表明在垂直于推力器主束流方向的卫星组件的表面上容易产生较大的Mo+CEX离子污染沉积率,而平行于推力器主束流方向上Mo+CEX离子污染沉积率相对较小。     

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。     

基于Matlab/Simulink的离子推力器输入参数设计模型研究

离子推力器的输入参数设计直接决定其工作性能以及寿命,为了有效降低在前期设计阶段,由于输入参数设计缺陷导致的输出性能和预估寿命不一致性,以及后期优化改进所带来的风险及高昂成本,根据离子推力器工作过程的宏观描述以及寿命理论预估方法,基于Matlab/Simulink建立起离子推力器输入参数设计模型,实现了根据推力、比冲、效率等设计指标完成输入参数计算以及寿命预估的目的。结果显示:以30cm离子推力器为例,根据参数设计模型得到5kW额定工况下的关键输入参数与目前实际输入参数的比对误差均在5%以内,而模型得到的关键指标参数与冷启动试验测试值的比对误差同样在5%以内,3600h后的加速栅孔径刻蚀计算结果与试验结果比对误差在10%以内,证明了离子推力器输入参数设计模型的合理性,输入参数设计模型可用于后续同类型离子推力器的早期输入参数确定以及设计指标匹配性评价。     

带隔热屏加力燃烧室热态流场计算

在任意曲线坐标系下对带有横向波纹隔热屏、外冷却通道和尾喷口的涡喷加力燃烧室的三维热态流场进行数值模拟.利用椭圆型微分方程和区域法生成三维贴体网格, k-ε模型预估紊流特性, EBU-Arre-henius紊流燃烧模型估算化学反应速率, 六通量模型预估辐射通量以考虑其对壁面和气流温度的影响.在非交错网格系统下应用混合差分格式离散控制方程, SIMPLE算法求解离散方程, 数值分析两种进口气流参数分布对加力室热态流场和壁温分布的影响.所得计算值与试验数据基本相符, 表明计算方法合理.      

场致发射电推力器发射尖端理论模型及机理

为了研究铟场致发射电推力器的发射过程及机理,对椭球顶喷流柱模型离子发射区流柱的形状及尺寸进行了数学描述并通过数值计算加以验证,结果表明,椭球顶喷流柱模型具有合理性,从Taylor理论出发,结合电磁场理论、流体力学理论以及场致发射理论,讨论了离子形成的机理,发现场蒸发是离子产生的重要原因。     

自耦合射流流动特性和相关参数影响规律的数值研究

为了得到压电驱动的自耦合射流的流场特性以及相关参数对其的影响规律,利用数值模拟的方法,借助于动网格技术模拟了压电驱动膜片的周期性运动,实现了自耦合射流腔体内部和外部流动的耦合计算,获得了和实验相一致的流动现象;当输入压电膜片的振动频率、振幅以及激发器腔室的几何尺寸不同时,自耦合射流的流动速度分布相应地进行改变。研究结果表明:数值模拟方法是合理的;模拟结果为实验参数的设定和实验件的优化设计提供了良好的理论依据。      

自适应直角坐标网格方法在对流换热数值模拟中的应用

复杂几何边界是对流换热计算面临的主要难点之一。自适应直角坐标网格方法可以比较方便的处理复杂几何边界,但其应用目前主要集中于可压无粘流的Euler方程、可压粘性流的Navier-Stokes方程的外部绕流计算。本文应用自适应直角坐标网格方法计算了两个不可压内流对流换热算例,并把计算结果同商用CFD软件STAR-CD的计算结果进行了对比。自适应直角坐标网格方法在本文的两个算例中得到了同STAR-CD一致的结果。这说明采用该方法数值模拟对流换热问题是适用的。