霍尔推力器羽流离子能量实验研究

霍尔推力器羽流中的离子能量分布情况对于评估推力器羽流影响,优化推力器在航天器上的布局具有重要意义。本文使用阻滞势分析器对霍尔推力器羽流的离子能量分布进行了实验研究,获得了推力器在不同工况下羽流场中关注位置的离子能量分布状况。实验结果表明:霍尔推力器羽流离子主要由电荷交换碰撞产生的低能量离子和高能量源离子组成;高能量源离子的分布在推力器轴线达到最大值,低能量离子的分布随着与推力器轴线夹角的减小呈先增后减态势;随着霍尔推力器放电电压的提高,羽流源离子能量分布会相应向高能量方向偏移。     

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。     

霍尔推力器等离子体羽流粒子模拟

建立了霍尔推力器羽流仿真模型,用单元粒子-直接模拟蒙特卡罗（PIC-DSMC）混合方法对SPT-7推力器的流场进行数值模拟,分析背压、扩张角和电子温度对流场的影响。结果表明：背压粒子增加了回流区内离子和高速粒子,加重羽流污染。SPT-70推力器羽流出口处扩张角约为30°。实验数据验证了仿真模型的正确和方法的可行,对电推力器及其羽流污染等的研究有一定的参考价值。     

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。     

基于E×B探针系统的霍尔推力器束流特性分析

为探究霍尔推力器羽流中各价态离子能量分布，并以此为依据评估推力器性能，根据Wien条件，设计了一种用于测量稀薄等离子体羽流场不同电荷状态离子分布的E×B探针系统。基于对探针最大输入角离子的运动分析，推导了仅与探针结构参数相关的能量分辨率关系式，并以此为依据设计了探针，使用该E×B探针系统对200 W量级霍尔推力器进行羽流离子成分诊断。分析结果表明:距离推力器出口500 mm处，在中轴线角度0~20°内，单电荷氙离子Xe⁺比例分数为90.42%~94.25%，对应的Xe²⁺比例分数为9.58%~5.75%;随着角度的增加，Xe⁺比例分数减少，Xe²⁺比例分数增加，平均电荷增加;推力器的电荷利用效率、电压利用效率分别为99.38%、86.95%。该探针系统的测量结果可为分析推力损失和优化推力器性能提供参考，并可为羽流仿真提供验证。     

氙离子推力器束流分布特性研究

建立了离子推力器束流分布的高斯模型,以200mm氙离子推力器为例,在不同工作环境下对推力器束流分布进行了数值模拟,并通过试验测量了推力器引出切面不同位置(轴向z=50mm,z=100mm)下的径向束电流密度和束离子密度分布。通过对数值模拟结果与试验测量结果的比较,误差为17%,认为数值模拟结果与试验测量结果吻合较好。表明离子推力器引出束流呈轴对称分布,在推力器出口附近,束离子密度很大,越往下游,密度越小且束流出现发散。     

脉冲等离子体推力器羽流回流影响分析

将三维MHD双温入口模型的计算结果作为入口条件,运用DSMC(Direct Simulation Monte-Carlo)/PIC(Particle in Cell)流体混合算法,模拟实验室PPT样机羽流。验证计算显示,该模型具有模拟脉冲等离子体推力器羽流的能力。对不同初始电压和电容下的羽流场进行了模拟,给出了出口平面返流质量流率的变化情况和20μs羽流中离子和CEX离子的分布情况。计算结果显示,高能量状态对应高质量流率,高质量流率对应高动量,高动量离子和中性粒子对航天器撞击会造成更强影响。     

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。     

一种卫星双组元推力器羽流热影响分析方法

给出一种分析星上设备受双组元推力器羽流热影响的方法。首先,提取待分析设备三维模型的STL(stereo lithographic)数据;然后,根据STL数据中三角形网格的法向矢量选取有效的三角形网格;最后,利用STL数据和推力器羽流热流场分布函数建立羽流热影响分析模型。不管设备表面能否用解析公式表达,文章提出的方法均能分析推力器羽流对其产生的热影响。     

脉冲等离子体推力器羽流的一体化粒子模拟

将DSMC(Direct Simulation Monte-Carlo)/PIC(Particle in Cell)流体混合算法与一维MHD双温放电模型相结合,一体化模拟NASA Glenn PPT羽流。对不同出口偏转角的羽流场进行模拟,给出了不同偏转角度下离子、电势、温度的变化情况,并与实验结果进行了比较。结果显示,该模型具有一体化(从工作过程到羽流)预测脉冲等离子体推力器羽流的能力。人工偏转角的加入,增强了羽流的扩散,使得羽流径向扩散、轴向收缩、回流减弱,同时对放电模型带来的不足有一定改善作用。     

一种研究电弧风洞等离子体密度的诊断方法

用微波探针法研究了等离子体密度变化。一般情况下，它除了不对等离子体产生干扰外，还可以对等离子体进行实时监测。本文利用这种方法对电弧风洞等离子体的形成以及不同状态下的密度变化作了观测，并同扫描朗谬探针在相同实验条件下的结果进行了比较。实验结果表明，微波探针是研究特殊环境下等离子体密度变化的一种好方法。     

降低电磁波在再入等离子体中衰减的仿真分析

对电磁波在再入等离子体中的衰减特性进行了分析。在不减少辐射口面处等离子体电 子总数的条件下,提出一种极化方向电子密度周期变化分布降低电磁波衰减的方法。对于电 子密度均匀分布与再入过程中实际分布的等离子体模型,采用发射与接收天线,对电磁波在 等离子体中的传播特性进行仿真。得到了电子密度均匀分布与周期变化时的电场分布图,分 别计算了电子密度均匀分布与实际分布时的电磁波衰减,对原分布与周期变化分布时产生的 电磁波衰减进行比较。仿真结果表明,极化方向电子密度的周期变化,可有效改善电磁波的 传播特性,使电磁波衰减降低。
     

空间材料深层充放电效应试验研究

利用电子枪发射的单能电子束、以及放射源发射的能谱结构接近空间电子环境的β射线电子,模拟试验了几种常用空间介质材料和某卫星部件的深层充电过程;结合对放电电流脉冲和电场脉冲的测量,观测了深层放电脉冲信号及其对试验电路的影响。试验结果表明,在类似实际空间强度的pA量级电子束辐照下,介质材料可以累积大量电荷,其表面电位可以达到近万V;随后发生的介质材料放电可产生高强度的放电电流脉冲和电场脉冲,放电脉冲对试验电路造成较强的干扰。     

用Langmuir探针诊断MPT羽流

为了探索微波等离子推力器(MPT)羽流的特性,建立了一套Langmuir探针诊断系统并对MPT的羽流进行了诊断,得出了MPT喷管羽流的电子温度和电子数密度等重要特性参数。实验结果表明,所测参数反映了等离子体的特性。与理论计算结果基本相符,并且诊断手段简单易行,为MPT羽流诊断提供了一种实验手段。     

低地球轨道空间环境下航天器表面原子氧通量密度和积分通量分布的数值模拟

基于蒙特卡罗方法和区域分解法,建立低地球轨道空间环境航天器表面原子氧通量密度和积分通量的数学模型。模型考虑了航天器表面几何构型、原子氧数密度和分析热运动、地球自转对航天器速度的影响以及轨道运行参数。通量密度分布的求解是通过其微分方程的对于独立变量分子运动速度和与表面速度矢量合成的积分得到,积分通量是通过沿轨道时间积分来实现。与此同时,得到了沿入射攻角变化原子氧分布的最大值和最小值。计算结果表明:通量分布伴随入射攻角增大而急剧下降,在迎风面达到最大值,背风面最小值。入射攻角是影响分布计算结果的重要因素。计算误差与NASA-LDEF飞行试验实验结果吻合较好。     

嫦娥一号卫星星地时差校正量计算方法研究

影响月球探测卫星星地时差的因素较多，文章介绍了其计算模型，并对其中的模糊距离进行了详细分析。通过对试验数据的分析，运用最小二乘法，分别建立了集中校时量和均匀校时量计算模型。实际结果表明：运用此两种校时模型和方法可以方便有效地控制嫦娥一号卫星的星地时差，并使其在一段时期内保持在5ms范围以内。     

大长径比固体火箭发动机点火瞬态过程性能散布分析

采用均匀设计方法设计数值试验,研究大长径比固体火箭发动机点火瞬态过程性能散布特性,利用逐步回归法得到堵盖打开时间、推进剂初焰时间、点火压强峰值及时间4个性能参数与散布影响因素的回归关系式,分析了各项性能散布指标与其主要影响因素的关系。结果表明,堵盖打开时间散布取决于堵盖强度,推进剂初焰时刻散布由其着火临界温度控制,点火瞬态压强峰值时刻散布由推进剂密度和喷喉直径控制,点火压强峰值散布主要受推进剂密度、着火临界温度和喷喉直径的影响;并提出了降低散布的工程措施。     

圆柱形霍尔推力器内等离子体数值模拟

利用一维磁流体动力学模型,对圆柱形霍尔推力器的放电等离子体进行了数值模拟。考虑了等离子体的电离、中和、碰撞、玻姆扩散及阳极鞘层的影响,由龙格-库塔方法得到离子速度、离子数密度、电子的温度等分布,其与实验结果有很好的一致性。经分析可知,此分布与电磁场的分布、粒子碰撞及电子阻抗等因素有关,并分析了电子温度分布、电子速度与电磁场的关系。结果表明,离子数密度沿通道方向增加,但在出口附近略有下降;而中性粒子数密度逐渐降低;离子速度在出口达到最大值,电子速度在下游有较大的梯度分布。