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。     

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。     

氪气工质霍尔推力器束聚焦特性研究

以研究氪气替代氙气作为霍尔推力器工质时,等离子体束发散程度大等束聚焦特性问题为目的,通过以霍尔推力器磁场参数、放电电压和阳极工质流量分别作为单一变量进行实验研究,考察其对推力器等离子体束聚焦影响情况。使用HET-P70霍尔推力器进行相关实验,通过改变磁场参数来研究磁场位形对氪气工质推力器性能的影响,最终发现合适磁场位形形成的磁聚焦状态,即实验一中的工况3,可以使羽流发散角达到11.5°,此时推力器放电电压在400V,阳极工质流量3mg/s。另外,通过实验二和实验三,考察阳极工质流量和放电电压对氪等离子体束聚焦的影响机理,发现两个放电参数的变化主要改变了中性气体主电离区位置,进而影响等离子体束聚焦状态。电离位置在设定工况下外移9%,会使得羽流发散半角增大约12°。所以,磁场位形和中性气体的电离位置是影响氪等离子体束聚焦的重要因素,在对氪气霍尔推力器进行设计优化时应予重点考虑。     

磁零点及通道宽度对霍尔推力器性能影响的数值研究

磁场位形和通道尺度会改变霍尔推力器等离子体放电过程,影响推力器的宏观放电特性。为分析磁场和通道宽度对推力器放电性能的影响规律,本文针对霍尔推力器轴对称通道结构和放电物理过程建立2D3V物理模型,采用粒子模拟方法研究了霍尔推力器磁零点磁场位形不同通道宽度的电势、粒子数密度、电子温度、电离速率、比冲及推功比的变化规律,结果表明：在具有磁零点磁场位形下,随着通道宽度增加,通道出口处电势降增加,加速区缩短,离子径向速度减少,壁面腐蚀降低;当磁零点位置在内壁面,推力器通道宽度由14 mm增加到16 mm时,推力器比冲和推功比增大,推力器放电效率提高;当磁零点位置在通道中轴线或外壁面,且通道宽度大于14 mm时,推力器比冲增大,推功比减小,推力器效率下降。     

磁屏蔽霍尔推力器磁极腐蚀数值模拟研究

磁极腐蚀问题成为磁屏蔽霍尔推力器的主要寿命失效模式。为了研究磁极腐蚀的机理，本文基于粒子网格方法建立推力器放电的数值仿真模型，结合溅射模型模拟磁极腐蚀现象，统计磁极表面收集的入射离子运动状态，获取磁极腐蚀特性，据此探究磁极腐蚀的机理以及影响磁极腐蚀速率的因素。结果表明：磁屏蔽霍尔推力器出口倒角附近形成的高原子密度区同时也是径向电场占主导的区域，在此处电离产生的低速离子易于径向发散进而偏转向磁极方向运动。磁极表面腐蚀现象呈现径向分布不均的特点，内磁极附近轴对称电场对离子的作用是导致磁极中心腐蚀速率远高于其他位置的主要原因。     

场致发射电推力器羽流分布特性仿真

场致发射电推力器（FEEP）是微型电推进装置的典型代表。为深入理解结构参数对推力器性能的影响机制,本文采用PIC粒子模拟方法进行泰勒锥射流纳米尺度结构至宏观毫米尺度结构的羽流场仿真,并分析结构参数变化导致的羽流形貌差异及其对推力器性能参数的影响。研究结果表明：发射极高度是决定推力器束流是否会分叉的关键参数,低于300μm的发射极高度易于导致束流分叉并严重影响推力器性能和寿命;引出栅极槽宽是决定束流发散角和推力比冲性能的关键参数,其影响幅值可达30%～50%,羽流发散角随槽宽增加而增大,推力比冲随之减小;发射极-引出栅极间距对推力器性能影响相对较小,可在较大范围内支持推力器稳定高效工作。根据FEEP推力器性能随结构参数的变化规律,建议结构参数取值范围为：发射极高度500～1000μm,引出栅极槽宽2000μm左右,发射极-引出栅极间距360～1300μm。     

30cm离子推力器在轨环境下的工作点及热控措施研究

栅极间距变化是影响离子推力器在轨环境下从冷态条件正常点火启动的重要因素,同时也决定了离子推力器的在轨工作时机和热控实施策略。本文采用有限元仿真与地面热平衡试验验证相结合的方法,建立起30cm离子推力器有限元分析模型并进行了模型校验,之后对离子推力器在轨受太阳光照影响的栅极温度场分布和间距变化,以及推力器在5kW工况下的三个典型温度点所对应的栅极间距变化进行了仿真分析,最后考虑了主动热控干预对推力器最恶劣工作点的栅极间距变化影响。结果显示：纯太阳光照影响下的栅极组件存在周期性温度变化,栅极最大温差可达到100℃,栅间距缩小量在0.06mm~0.16mm范围内波动;在太阳光照基础上实施60W的主动热控后,栅极最大温差降低至60℃,栅间距缩小量波动范围则变为0~0.03mm;栅极最高温度点和最低温度点分别是推力器冷态启动最容易和最困难的两个工作时机点,两点所对应的启动后屏栅和加速栅最小间距分别为0.22mm和0.04mm;在10W、70W和120W的热控加热功率下,从最低温度点启动后的屏栅和加速栅最小间距分别为0.06mm、0.20mm和0.29mm;采取主动热控措施能够有效降低推力器工作过程中的栅极热形变位移峰值,且加热功率为120W即温控点温度为50℃的主动热控可以满足30cm离子推力器在轨冷态启动时的0.25mm安全栅极间距要求。     

10cm离子推力器放电室性能优化研究

要实现离子推力器较高的效率和比冲等综合性能指标,优化的放电室性能是其首要的前提条件。为了获得10cm离子推力器优化的放电室性能,在放电室初始设计方案基础上,通过对工作参数和结构参数的不同组合试验,开展了性能优化研究,采用的主要手段是关键特征尺寸调节、流率调节和磁场参数的调节。试验获得了不同参数组合的性能变化趋势,得出了优化的放电室结构参数和工作参数。优化后的离子推力器综合性能试验结果表明,在推力15.6m N、比冲3100s的设计工况下放电损耗约为227W/A,放电室工质利用率为91%。     

30cm离子推力器三栅极组件设计参数对寿命的影响研究

为了研究30cm离子推力器三栅极组件设计参数对预估寿命的影响,在完成失效模式分析的基础上,通过PIC-MCC方法对离子推力器三栅极组件的离子溅射速率进行了计算,建立起栅孔二维寿命预估模型,并针对栅极设计参数对预估寿命的影响进行研究。结果显示:导致三栅极组件的主要失效模式为5kW高功率模式下的离子直接轰击所造成的栅极早期结构失效,且减速栅的过快离子溅射腐蚀成为影响三栅极组件寿命的关键,而不同工作模式不会产生新的失效方式,仅影响栅极的离子溅射速率以及寿命;在现有三栅极设计参数条件下,当推力器工作时,栅极引出的离子束流处于明显欠聚焦状态,且加速栅寿命预估值约为9062h,而减速栅约为2642h;通过PIC-MCC方法得到的栅极三个关键设计参数对寿命的影响模拟结果显示,降低加速栅电压对提升减速栅寿命的作用较小;缩小加速栅与减速栅冷态间距后,离子溅射速率会随着冷态间距的缩小逐渐降低,冷态间距由1mm缩小至0.6mm后,减速栅在5kW工况下的工作寿命可提升至10726h,且经试验验证该间距可满足推力器力学环境试验要求;缩小屏栅孔径对改变离子束流引出形状具有显著作用,单孔束流发散角度随着屏栅孔径的缩小出现了明显降低,且束流离子几乎不会再直接轰击至减速栅上游区域,当屏栅孔径由1.9mm缩小至1.6mm后,减速栅工作寿命可提升至9259h;分析结果对后续开展栅极组件的寿命优化设计提供了参考。     

磁路对30cm离子推力器性能影响研究

为了研究磁路结构对与新型GEO平台配套的30cm离子推力器(LIPS-300)性能的影响,采用PIC-MCC数值模拟方法对LIPS-300在其典型工作点下的放电损耗和束流平直度进行了研究,其中输入磁场采用有限元软件Maxwell计算得到,另外还利用Maxwell研究了磁体尺寸对侧壁磁环对产生的磁场等值线的影响。结果表明在LIPS-300的典型工作点下,4极场推力器比3极场推力器放电损耗高3%,分别是164W/A和160W/A,束流平直度高30%,分别为0.65和0.50。利用较厚较窄的磁环能够获得更大的无场区体积。因此,采用4极场将获得更好的推力器性能,采用较大厚度/宽度比的磁体有利于推力器束流平直度的改进。