稳态等离子体推力器羽流数值模拟

以国内研制的稳态等离子体推力器羽流为研究对象,建立了基于粒子单元法和直接蒙特卡罗模拟法的数值仿真模型,简化了电子动量方程,运用Boltzmann关系式求解了等离子体电势,研究了羽流电子数密度、离子电流密度及流场温度分布。通过与实验数据和已有数值结果对比,以验证模型和编制的程序。研究表明,羽流出口下游0.3~1.0 m处的羽流中心电子数密度约为2.5×1016~5×1015m-3,电流密度约为65~1 A/m2。文中工作对分析等离子体羽流污染具有参考意义。     

霍尔效应推力器羽流的PIC/MCC模拟(英文)

采用粒子网格单元与蒙特卡洛碰撞相结合的方法,建立霍尔效应推力器羽流的二维轴对称模型.模型中电子作为流体处理且服从等熵假设,离子(Xe~+和Xe~(2+))采用粒子描述,中性原子为背景气体.自洽电势通过求解非准中性、线性化Poisson方程获得.模拟结果与实验数据相比较表明,模型能够可靠预估羽流的物理特性;粒子入射发散角为30°～40°时模拟结果与实验数据吻合较好;倒流区离子数密度可达10~(14)m~(-3),会对飞行器表面造成损害;且等离子体密度和电子温度沿轴线方向衰减很快.     

二次电子发射对稳态等离子体推进器加速通道鞘层的影响

稳态等离子体推进器(Stationary Plasma Thruster,SPT)工作时产生的高密度等离子体遇到其加速通道陶瓷器壁时,在陶瓷器壁与等离子体之间形成鞘层。离子会在鞘层电场作用下到达SPT加速通道器壁表面进而复合,而等离子体中的电子由于具有高能可跃过鞘层电场轰击器壁表面,从而产生二次电子发射效应。从器壁表面发射出的二次电子由于受到鞘层电场的排斥,导致其向等离子体源区移动,进而影响等离子体鞘层的特性。建立了考虑二次电子发射效应的无碰撞等离子体鞘层的一维流体模型,研究了二次电子发射对SPT加速通道鞘层特性的影响。计算结果显示,随二次电子发射系数增加,鞘层电势、离子密度、电子密度和二次电子密度增加,而离子速度降低,鞘层中离子密度始终大于电子密度。鞘层中二次电子绝大多数集中在器壁附近,随二次电子穿越鞘层厚度的增加,二次电子密度快速下降。     

50 kW级高功率霍尔推力器放电通道数值模拟研究

高功率霍尔推力器兼顾了比冲高、推力大、寿命长等特点。为了提高设计效率并考察热负荷问题，以50 kW级霍尔推力器为对象，采用单元粒子法(PIC)/蒙特卡罗碰撞模型(MCC)/直接模拟蒙特卡罗碰撞模型(DSMC)混合算法，建立二维对称计算模型。基于准电中性假设、中性原子考虑为背景气体，计算得到标准工况下(功率50 kW，流量86.4 mg/s)推力为2.2 N，比冲为2 598 s，与同类推力器实验结果对比，误差分别为5.18%和3.35%。在此基础上，考察了多种工况下(工作电压400~600 V，工质流量69.12~103.68 mg/s)放电通道内离子数密度、离子轴向运动速度、电子温度分布等参数。结果表明:增大工作电压会增强粒子间相互作用及离子加速喷出效果，流量调节影响电子温度和离子数密度分布;从推力器性能方面来看，增大工作电压，推力比冲随之增大，流量增大、推力增大，推力器的热损失功率占比达到15.94%。研究结果为高功率霍尔推力器的设计和实验提供了一定的参考依据。     

电推进航天器的特殊环境及其影响

文章介绍了应用离子和霍耳电推进系统在航天器周围产生的等离子体和电磁场等特殊环境,讨论了这些特殊环境对航天器各分系统或部件产生的溅射腐蚀、沉积污染、充放电、等离子体干扰、碰撞动力学扰动等影响效应,探讨了研究电推进与航天器相互作用效应的地面试验技术、空间飞行试验技术和模型分析技术,介绍了离子电推进系统与航天器相容性分析评价的技术要点。     

微空心阴极放电机理及其在电热式推力器中的应用

近年来,微空心阴极放电（MHCD）技术的发展为研制适用于小卫星的先进新型微推力 器提供了可能。MHCD是微放电领域中一种新颖的非平衡高气压辉光放电,其优点是可以在高 气压下稳定放电,并且只需要非常低的电压（几百伏特）或者输入功率（百毫瓦数量级）。 本文针对MHCD,实验研究了微放电的电流-电压特性,并利用光学发射光谱的方法测量了微 等离子体中电子数密度和中性气体温度。结果表明,在稳定的辉光放电下,MHCD孔内的电子 数密度和中性气体温度随着压强和放电电流的增加而增大,电子数密度可达
10 14 cm -3 ,中性气体温度可达1000K。由此可以推断,微空心阴极放电较小 的尺寸结构与强烈并可控的气体加热相结合,完全可以开发应用在新型的电热式等离子体推 进上,研制成微空心阴极放电等离子体推力器。由于在微放电等离子体中加热了工质气体, 因此其性能可大大高于冷气推进。     

碘工质霍尔推力器内部过程数值模拟

随着霍尔推力器的大力发展，碘工质霍尔推力器越来越受到研究人员的重视。深入了解碘工质霍尔推力器放电室内部过程，为优化推力器性能和拓展空间应用提供依据。建立了二维PIC/DSMC/MCC混合方法模型，结合鞘层和二次电子发射模型，根据碘工质特性，加入解离-电离过程，在定壁温条件下，针对200 W碘工质霍尔推力器放电室内部过程开展了数值模拟，考察其放电室内等离子体的多场耦合特性以及与壁面的相互作用过程。研究其放电通道内部的等离子体行为，分析放电室内的等离子体参数，获取其离子数密度、离子轴向运动速度、电子温度等特征参数，将模拟结果和氙工质进行比较。结果表明:相较于氙工质，碘工质霍尔推力器存在解离区，宽度约为2 mm，位于近阳极区之后、电离区之前。     

离子推力器羽流沉积对卫星热控影响研究

离子推力器的羽流是等离子体,等离子体的组成是带电粒子,这与传统的化学推进系统的羽流成分有很大不同,带电粒子有在卫星表面吸附的倾向,会形成羽流沉积污染。这种羽流沉积会改变卫星表面的吸收率和发射率,从而影响卫星的热控性能。为了预测离子推力器的羽流对卫星的热控性能的影响,建立了离子推力器羽流模型。所建模型采用了工程化离子推力器的在卫星上的布局位置和离子推力器的工作参数,模拟了离子推力器的正离子与中和电子束在工程化中分置的实际情况,使模型更为符合实际。通过数值模拟得到了离子、电子、中性粒子的空间分布,电场分布,得到了钼粒子在卫星表面的分布及沉积厚度,比较了模型计算的离子分布与实验获得的离子分布情况,说明了模型分析的正确性,给出了卫星表面热性能的变化及局部区域温升的最大包络可达二十多度的结果。     

碱金属杂质对飞行器烧蚀流场电子数密度影响

通过数值求解含有碱金属杂质碳酚醛烧蚀效应的层流与湍流化学非平衡Navier-Stokes控制方程,理论预测了无线电衰减测量计划(RAM)-C系列钝锥体前两次再入等离子体鞘套电子数密度。计算结果包括化学非平衡纯空气流场结果以及含碱金属杂质的碳酚醛烧蚀流场结果,并和文献发表的飞行器上朗缪尔探针、反射计等离子体诊断数据,以及从信标和遥测信号衰减中获得的等离子体相关数据进行了比较,获得了与试验分析结论相一致的碱金属电离对电子数密度峰值影响随高度变化趋势。理论计算与飞行试验结果均表明:烧蚀材料中的碱金属电离会显著增加中低空飞行器等离子体鞘套的电子数密度,最高可达2~3个量级。     

氙离子发动机对GEO卫星表面充/放电效应的影响

用于GEO卫星上的氙离子发动机工作时喷射出具有一定能量和密度的氙离子及电子,参与了通常由空间等离子体、表面材料二次电子、光生电子等对GEO卫星的表面充/放电过程,从而对卫星表面充/放电效应产生影响。文章对此影响进行定性分析,并探讨其设计要求。     

等离子体环境下圆柱开槽天线特性的研究

本文用磁流体力学的方法研究了等离子体环境下圆柱体开槽天线的辐射问题,推导了槽天线的方向图和阻抗的计算公式,计算了不同等离子体参量的横槽的方向图,并且把计算的结果与用不考虑纵波影响的复介电常数方法得到的结果进行了比较。     

地球静止轨道卫星撞击解体的数值模拟

分析了地球静止轨道（GE0）环内的物体现状,引入美国家航空航天局（NASA）的标准解体模型,给出了卫星撞击解体算法,编写了数值仿真软件,仿真研究了GEO卫星撞击解体形成碎片的特征及其轨道分布。结果表明：撞击会产生大量碎片,对空间环境造成长期的严重危害。研究结果对分析卫星撞击解体特性、保护空间环境有一定的参考价值。     

离子推力器羽流特性及其污染分析

介绍了与电推进系统有关的空间环境效应的形成原因及其对航天器性能、寿命等的影响。阐述了离子火箭发动机羽流内束离子、中性推进剂原子、交换电荷（CEX）离子和电子等主要成分与航天器相互作用的过程及机理。分析表明，离子推力器出口处的中性推进剂原子与高速束离子流碰撞后产生的CEX离子Xe^＋，以及带电离子轰击推力器组件特别是加速极所产生的金属CEX离子，是造成离子火箭发动机羽流污染的主要成分。在此基础上提出了若干防污染措施。     

任意角入射到非均匀等离子体的WKB法

用WKB法研究了以任意角入射的电磁波在非均匀非磁化等离子体中的衰减特性,给出了电磁波在非均匀非磁化等离子体中的双程衰减公式。选用抛物线型等离子体密度分布进行计算,基于等离子体共振吸收概念分析了双程衰减与入射电磁波频率、等离子体碰撞频率、等离子体最大密度和电磁波入射角等的关系。对等离子体隐身研究有一定的参考价值。     

太赫兹波在等离子鞘套中的传播

文章介绍了平面波斜入射到不均匀非磁化等离子体时的散射矩阵方法,并用这种方法分析了等离子鞘套中太赫兹信号的传播特性;计算了鞘套的反射,透射与群时延。计算结果表明,在低碰撞频率时,鞘套的高通特性显著,随着碰撞频率的增加,鞘套的反射与透射系数随频率的变化趋于缓和;总体上等离子体的入射波频率的增加,有利于电磁波的透射。     

碰撞等离子体的宽频带电磁波吸收特性

针对具有金属反射面的非均匀等离子体对电磁波的反射、吸收问题,采用求解波动方程的方法构造相应的边界条件,详细研究各种参数等离子体对电磁波的吸收特性,讨论对等离子体参数及波动方程进行归一化的方法,得到归一化条件下的等离子体宽频带吸收特性。计算分析表明,对于电子密度为某种渐进分布的有碰撞的低温等离子体,当碰撞频率与最大电子密度处的等离子体频率相近或略大,且等离子体层的厚度足够大时,在一个较宽的频带内,等离子体对电磁波有较强的吸收作用。研究结论可以用于等离子体参数的选择,及等离子体隐身的参数设计。     

非均匀磁化等离子体层的电磁特性分析

基于分层传播原理提出了一种计算电磁波在非均匀磁化等离子体层中反射率和吸收率的模型,并数值分析了等离子体密度与碰撞频率,以及背景磁场强度对电磁波的反射和吸收特性的影响.研究表明:该法所得结果与文献的传播矩阵(SMM)法一致.数值分析发现:低密度高碰撞频率等离子体可减少等离子体层对入射波的功率反射;高密度高碰撞频率等离子体可改善其对入射波的功率反射宽频带吸收特性;背景磁场强度可明显改变等离子共振吸收频段.     

Generation of experimental plasma parameter maps around the baffle aperture of a Kaufman (UK-25) ion thruster

The plasma produced by a Kaufman (UK-25) ion thruster possesses four distinct regions. The interaction of two of these regions, the coupling and discharge plasmas, is important for thruster design and efficiency, since it controls the production of the primary electrons responsible for most of the ionisation in the thruster. This paper details the measurement and analysis techniques used to obtain two-dimensional experimental plasma parameter maps across a plasma double layer in the baffle aperture region of this type of ion thruster. This plasma-interaction region was mapped experimentally using Langmuir probes.The Langmuir probe data were collected and analysed to produce maps of plasma potential, Maxwellian and primary electron energy and number density. Detailed static magnetic field measurements using Hall-effect probes were also obtained. A number of derived plasma parameter maps were then made possible, such as electron pressure. The application of the analysis techniques used here allowed ion thruster plasma property maps to be constructed of a spatial extent and resolution previously unseen. Two-dimensional maps of the spatial location of primary electrons are presented, as effected by applied magnetic field changes, along with the detection of regions showing depletion of primary electron energies.     

离子火箭发动机羽流特性分析

分析了离子火箭发动机羽流组成和各种粒子的产生机理,建立了束离子、中性推进剂原子、交换电荷离子的物理模型,并以20cm氙离子火箭发动机为例计算了羽流中各种粒子的空间分布。通过对羽流组分分布特性的分析,提出了羽流污染防护的有效措施和方法。