微阴极电弧推力器研究进展

介绍一种适用于微纳卫星的新型微电推进方式——微阴极电弧推力器,其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喷出产生推力,并利用外加磁场聚焦等离子体以减小羽流扩散角、提高比冲。总结了国外相关机构大量的研究工作,并实现了在轨验证。北京控制工程研究所及其研究团队已攻克了阴极工质均匀烧蚀、低电压放电击穿、磁场设计等关键技术,完成原理样机点火验证工作,并采用实验手段研究磁场对推力器影响;采用PIC/MCC方法开展数值仿真,获得推力器内部及羽流区相关参数分布,对其工作过程及工作机理开展研究,为工程应用奠定了基础。     

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。     

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。     

多级会切场推力器振荡特性模拟研究

目前多级会切场推力器数值模拟研究采用的主要手段是全粒子模拟方法,但是这种全粒子模拟对计算机的要求较高,因此文章通过建立HEMPT的一维流体模型,再现HEMPT的振荡现象,对放电电流和等离子体参数之间的关联性及等离子体参数分布规律进行研究。沿着两条典型的电子传导路径,利用MATLAB中Simulink模块建立一维流体模型。结果分析表明,推力器内部等离子体参数的振荡周期与放电电流振荡周期一致。推力器的主电离区在两个磁尖端之间,电势降主要集中在出口附近。     

磁等离子体推力器工作机理与应用前景研究

研究了发动机能量输入、工质电离、等离子体加速及能量转换过程及机理,同时分析了磁等离子体推力器在空间推进任务中的应用前景.研究表明磁等离子体推力器主要利用电磁力加速和磁喷管的能量转换作用来实现加速,这种方式在大功率条件下,能够获得大推力、高功率和较长工作时间,在大功率轨道航天器和深空任务中有广阔的应用前景.     

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。     

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。     

一种提高空心阴极推力器推力的发射体外置方法

为提高空心阴极推力器的比冲,研究了空心阴极发射体外置的方法,对比研究了发射体外置和内置两种结构的空心阴极推力器的推力和比冲,发现发射体外置的结构相比较于内置结构能够增加推力器的推力和比冲。进一步研究发现,发射体外置的空心阴极推力器引出的离子电流、离子能量要明显高于发射体内置的空心阴极推力器,可以推断发射体外置的阴极推力器存在离子加速喷出增大推力和比冲的机制。     

空心阴极羽流形态与热特性的变化机理

空心阴极的放电模式主要有点状和羽状两种，为研究两种模式的转变机理，采用PIC/PCD（单元粒子/等离子体化学动力学）混合算法对阴极内部等离子体流场进行计算，以辐射传递系数处理阴极内部的热辐射计算，并且在通过流场与热场的多次迭代计算后达到收敛。为验证数值模型的计算精度，考察阴极表面5个测点的计算结果与试验数据对比，计算误差在5%以下，并且以羽流光色计算图与试验照片作对比，定性验证模型对放电模式的模拟精度。在此基础上，对不同气体流量下、不同阴极顶孔径的阴极内部各类等离子体参数分布进行计算，通过分析阳极电压、羽流形态变化的内在原因，获得点-羽放电模式的转变机理，可为阴极优化提供理论支撑。     

微阴极真空电弧点火起弧及加速机理研究综述

微阴极真空电弧推力器具有结构简单、重量轻、功耗低、比冲高等优点，因而在航天推进领域有着广阔应用前景.当前推力器设计研制、可靠性和寿命的提高等方面遇到的一些关键问题均与微阴极真空电弧放电过程的基本物理问题密切相关.对微阴极电弧推力器运行中涉及的电子发射、电极间起弧过程、阴极斑点形成及特点、烧蚀和形貌变化、电极间等离子体射流加速过程进行了梳理，相关认识可以为今后进一步开展微阴极电弧推力器的设计优化、性能提高奠定基础.     

微阴极电弧推力器羽流探针诊断研究

微阴极电弧推力器（micro-cathode arc thruster,μCAT）具备功率低和结构简单的特点,能够满足微纳卫星的任务需求,具有良好的发展前景。μCAT羽流的诊断可以揭示推力器的加速机理,对提高其性能具有重要意义。利用朗缪尔三探针对μCAT羽流进行诊断,得到了μCAT羽流不同位置的电子温度、电子密度和离子速度等羽流特性,研究了外加磁场、充电时间和阴极材料对羽流特性的影响。研究结果表明,μCAT放电初期产生的等离子体电子温度较高,密度较大;随着等离子体向下游运动,电子温度和电子密度降低,离子速度增大;外加磁场的磁感应强度越强,电子温度和离子速度越高,电子密度有所降低;磁场位置适当向推力器下游平移,能够有效提高推力器中轴线的电子密度;μCAT充电时间越长,电子温度、电子密度和离子速度越大;相比于CuW和AgW阴极,Ti阴极羽流的电子温度更高,电子密度更低。     

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。     

立方体式考夫曼离子推力器极靴结构设计

考夫曼离子推力器因具有高比冲、高效率、长寿命等特点,是应用于航天器电推进类型之一。过去研究主要集中在轴对称柱状结构考夫曼离子推力器,然而对于未来模块化立方体卫星,立方体构型推力器非常适合多推力器的组合、多推力器羽流集中中和,结构紧密并且减少航天器附件。为此,基于自主设计的立方体式考夫曼离子推力器,采用三维数值仿真方法对推力器放电室进行了计算分析,获取了不同阴极极靴内径下推力器放电室磁场分布,对比研究了不同极靴构型下放电室电子密度分布和电子温度分布。结果发现,增大阴极极靴内径使得磁场分布均匀性变差,放电室内壁电子温度升高,电子损耗增大,放电室出口离子密度降低。因此,对于本立方体考夫曼离子推力器,长宽高为15mm×12.5mm×15mm的阴极极靴构型最佳,既可保持较低的壁面电子温度,又有利推力器出口的离子均匀性。     

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。      

卫星姿控发动机高空羽流场工程分析

发展卫星姿控小推力发动机高空羽流场的工程估算方法,计算分析其主要燃气组分的分布特征.采用网格技术将发动机喷管出口截面剖分形成多独立点源,建立了非均匀出口流动条件下的分析模型.与自由分子单一点源模型相比,该模型的计算结果更接近实验值.对MBB 10 N双组元发动机多组分羽流场的研究表明,压强场和内能场的变化较剧烈;不同于轻分子组分,重分子组分主要集中于轴线附近,其密度场呈较强方向性.      

离子发动机羽流空间电位诊断

离子发动机羽流空间电位分布不合理可能会造成一系列问题,以至于影响航天器的正常工作。试验使用发射探针对20 cm氙离子发动机束流区等离子体空间电位进行诊断,测点选取轴向距离发动机出口平面250～900 mm,径向0～450 mm,探针钨丝直径0.1 mm,加热电流1.5～2.5 A。发射探针诊断建立在电子热发射基础上,因其I-V曲线拐点较朗缪尔探针更为明显,所以测量得到的空间电位分布更为准确。国外已经广泛使用发射探针测量等离子体空间电位,发射探针的试验数据处理方法仍存在较大分歧。从发射探针工作时的物理过程着手,分析热电子发射多少对空间电位诊断结果的影响,采用不同的探针I-V曲线处理方法并对各种方法利弊进行讨论,分析偏离真实空间电位的原因,比较得到较为合理的结果,对发射探针的结构改造和加热电流的选取提供依据,为发动机性能的改善和羽流仿真模型提供参考。     

舌形张角型脉冲等离子体推力器极板结构参数影响仿真研究

脉冲等离子体推力器是一种具有发展前景的电推进装置,具有比冲高、质量轻等优点,可用于微小卫星的姿态控制、轨道转移等任务。以ADD SIMP–LEX推力器为例,建立数学仿真模型,并对舌形张角型极板构型进行仿真,经过仿真和实验结果对比,探究了不同极板参数对推力器的主要性能参数(元冲量、效率、比冲等)的影响,研究结果表明:增大宽度比,元冲量和效率随之增大,比冲有所降低;增大张角,元冲量和效率也随之增大,比冲略有降低,但幅度不大。