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。     

基于PIC/MCC/DSMC方法霍尔推力器热分析

以提高霍尔推力器性能和使用寿命为目的对霍尔推力器进行了热分析。建立了等离子体在通道陶瓷壁面和阳极的能量沉积计算模型,并将模型耦合到PIC/MCC/DSMC流场计算程序中,计算加速通道壁面上的能量沉积分布。将计算得到的壁面能量沉积作为霍尔推力器温度计算的热流边界条件,考虑结构间的热传导与热辐射,计算温度分布。为了考察壁面的热流分布方式不同对温度场的影响,在总热流相同的情况下,将通道热流假定为线性分布与平均分布,计算霍尔推力器的温度分布。结果表明,壁面能量沉积占总功率的20.4%,陶瓷壁面能量沉积沿轴向位置先增大后减小,最大值在电离区。阳极的能量沉积,沿径向在中间位置达到最大,两端靠近壁面处较小。三种热流边界条件下的温度结果表明,三者最高温度都为700K左右,但高温位置不同,PIC热流边界条件下,最高温在电离区,而线性与平均热流边界条件下,高温区分别在出口区与近阳极区。通过与实验结果比较表明,PIC计算热流边界条件下高温区温度与测量者吻合更好,误差小于0.8%。     

磁路温度对霍尔推力器放电热稳定性的影响

为研究磁路高温性质变化对霍尔推力器放电热失稳的贡献及影响机理,对不同磁路温度下推力器的工作磁场强度开展了实验测量,对磁路温度变化与通道内等离子体放电行为变化的交互影响开展了Particle-in-Cell数值模拟研究。实验结果表明,当磁路温度由室温升高到600℃时,推力器的工作磁场强度发生了衰减,尽管衰减量不大(约5%)。模拟结果表明,磁路高温引起的场强衰减改变了推力器放电时的电导率及电势分布,进而对电子能量各向分布、粒子密度分布等造成了影响,促进了电子在壁面的通量及能量损失,主导了壁面等离子体沉积功率的增加,从而进一步加剧了磁路温度的增长。这是一个具有正反馈性质的过程;因此,若不能通过外部手段有效控制磁路温度,将诱发霍尔推力器的放电热失稳。     

磁场对霍尔推力器放电特性及性能参数影响的粒子模拟研究

磁场强度及位形对霍尔推力器放电过程有显著影响。根据霍尔推力器通道尺寸和等离子体放电过程建立二维物理模型,采用粒子模拟方法,研究了不同磁场强度及位形等离子体放电特性,讨论了推力、推功比及放电电流的变化规律。模拟表明:当中轴线磁场强度峰值小于200G时,磁场对电子轴向传导约束减弱;当磁场强度峰值在200G～420G时,电子温度、电离率及电子与壁面碰撞频率降低,出口处离子径向速度增大,壁面腐蚀增加;当磁场强度峰值为280G时,加速区最短,放电电流最小。不同零磁点磁场位形会改变通道电离区和加速区位置,影响推力器放电性能。     

超大功率霍尔推力器放电参数影响仿真及试验

针对超大功率霍尔推力器放电参数特性评估,开展放电电压和流量等参数变化对性能影响的仿真及试验研究,以确定推力器设计最优匹配的放电电压及放电电流工况。建立了Particle-in-Cell(PIC)数值仿真模型,并搭建了HET-450大功率霍尔推力器试验平台;针对变放电电压、变流量下推力器放电特性,仿真计算给出了放电通道内原子密度、电势以及电子温度等分布,探究了推力器电离和加速运行机理,进一步,结合试验,开展了放电电流、推力等比对分析。结果表明：放电电压从300V增加至500V过程中,电离效率逐渐提升,因而放电电流、推力以及阳极效率均递增,而继续增加放电电压则会导致过热场的产生,离子与壁面作用增强导致电离出的离子再次复合,工质利用率下降的同时壁面损失增加,宏观表现为阳极效率的下降。此外,仿真与试验所获得放电电流、推力等结果符合良好,说明建模合适;在500V,80mg/s条件下,推力达2.1N、阳极效率60%,达到设计要求,表明设计合理有效。     

霍尔推力器能量损失系统性评价方法

霍尔推力器典型效率在50%左右,其余能量在电离、加速、耦合等过程中耗散掉,为了明确推力器优化设计的重点方向,需要定量地研究各个物理过程中损失的能量。因此,本文从能量损失分析的角度入手研究影响霍尔推力器效率的典型物理过程及机理,建立了针对霍尔推力器能量损失的系统性评价方法,为霍尔推力器设计及优化提供理论支撑。从霍尔推力器能量转化过程入手,并以能量的最终作用对象及性质作为分类的标准,建立了新的能量损失体系,认为霍尔推力器损失的能量主要有：径向羽流动能、阳极沉积热能、壁面沉积热能、电离能、阴极耦合损失。针对各项损失能量建立了实验评估方法,实验结果显示,阳极热沉积、壁面热沉积、羽流发散导致的能量损失是制约霍尔推力器效率的主导因素,其占比分别达到5.2%、24.7%、6.1%。实验测得所有输出功率占输入阳极放电功率比例达到102.1%,经不确定度分析,认为是阳极热沉积、电离能、阴极耦合损失的高估导致的,但该方法诊断得到的各项损失相对数量级关系是确定的,利用实验校核了方法的可行性,为霍尔推力器性能以及设计水平的评价提供了新的视角。     

P70霍尔推力器新型缓冲腔磁路对预电离及放电的影响

为有效利用从P70霍尔推力器放电通道进入缓冲腔的快电子能量,考虑两个磁场特征以提高缓冲腔预电离率。一是提高磁感应强度,二是缓冲腔内从气体分配器到放电通道方向的负梯度。采用FEMM有限元磁场计算软件,在不改变推力器电离和加速通道内优化磁场特征的前提下,设计的新型缓冲腔磁路满足上述磁场特征。放电实验结果表明,在新型缓冲腔磁路下放电电流低频振荡幅值更小。新型磁路有助于延长推力器寿命,有助于电离和加速通道内电离与加速区的分离。     

霍尔电推进离子能量后加载设计及工作特性

典型的全电推进通信卫星通常设计使用寿命在15年左右,对霍尔电推力器的使用寿命要求达到了10000小时量级,因此,长寿命设计技术是影响其能否工程应用的关键技术。本文简要调研了国内外霍尔推力器延寿技术的发展,分析得到壁面及磁极腐蚀程度是影响推力器寿命的核心物理过程。通过分析推力器放电过程离子加速场的建立过程,提出一种具有离子能量后加载特征的设计方法,使得电离产生氙离子的主要能量加载过程发生在放电通道的末端。该设计导致推力器的推力效率下降约1~2%,但同时有效降低了通道内氙离子的能量,缓解高能离子对放电通道壁面的溅射作用,进而缩短腐蚀带长度60%以上,降低通道壁面及磁极工作温度31~55℃,可应用于霍尔推力器延寿设计。     

非麦氏电子分布对霍尔推力器等离子体与壁面相互作用的影响

为深入分析霍尔推力器放电通道的非麦氏电子分布对等离子体与壁面相互作用的影响,采用一维非稳态鞘层动力学模型,统计了等离子体与壁面相互作用的重要物理量。结果表明,非麦氏电子分布函数和麦氏电子分布函数下等离子体与壁面相互作用存在很大差异,电子服从非麦氏电子分布时入射电子在壁面上的能量沉积,以及二次电子对主流区电子的冷却作用都明显弱于电子服从麦氏分布的情形。     

LIPS-200环型会切磁场离子推力器热模型计算分析

为了建立国内自行研制的20cm口径LIPS-200环型会切磁场离子推力器放电室的热模型,研究了放电室内等离子体的产生过程,得到了二次电子的温度、离子密度以及电子密度分布规律,在此基础上得到放电室各个关键部件的电流沉积和能量沉积热模型。以热模型计算结果为依据,进行了推力器稳态工作下的有限元热分析以及热平衡验证试验。结果显示:推力器处于稳定放电时,放电室内电子温度分布范围为2~4e V;电离基本发生在放电室轴线附近,此处电离产生率和电子温度最高,并且整个放电室内离子密度约为1017/m3;放电室的内表面能量沉积主要来自二次电子及Xe离子。     

Preliminary experiment on spontaneous ignition performances of cavity-based strut flameholder

The thermal-structural response and low cycle fatigue life of a three-dimensional (3D) channel wall nozzle with regenerative cooling were numerically investigated by coupling the finite volume fluid-thermal method, nonlinear finite element thermal-structural analysis and local strain methods. The nozzle had a high area ratio (nozzle exit area divided by throat area) under cyclic working loads. Parametric studies were carried out to evaluate the effects of channel structural parameters such as channel width, channel height, liner thickness and rib width. Results showed that the integrated effects of three-dimensional channel structure and load distribution caused serious strain, which mainly occurred at the intersectant regions of liner wall on the gas side and the symmetric planes of channel and rib. The cooling effect and channel structural strength were significantly improved as the channel width and height decreased, leading to substantial extension of the nozzle service life. On the other hand, the successive decrease in liner thickness and rib width apparently increased the strain amplitude and residual strain of channel wall nozzle during cyclic work, significantly shortening the service life. The present work is of value for design of the channel wall nozzle to prolong its cyclic service life.      

带交叉肋变截面回转通道内换热的实验研究

以航空发动机涡轮叶片内部回转通道为设计原型,实验研究了三种不同入口宽高比的带60°交叉肋变截面180°回转通道壁面的换热特性。分析了几何无因次参数和气流雷诺数对通道带肋表面换热的影响。结果表明:通道壁面的换热效果是随着进口雷诺数的增大而增加的,其分布趋势基本一致;对于不同宽高比的通道,低雷诺数时通道平均换热效果是基本相同的,在高雷诺数时宽高比小的通道要好于宽高比大的通道,而换热系数在整体通道上的分布情况基本相同。      

霍尔推力器内部等离子体流场数值分析

建立以宏观电中性、不同种类粒子间滑移流动为基本假设的一维多流体简化模型，构造了相应的数值计算方法，用于分析霍尔推力器(亦称稳态等离子体推力器，简称SPT)的加速器通道内部物理过程。在适当边界条件以及适当模型常数条件下，能够获得无论在定性还是定量上都与实际比较接近的收敛的稳态解。结果显示，电势降落集中在出口附近，离子加速过程与该电势降落一致；在通道前半段电离比较剧烈，而在出口附近趋于平缓，出口电离度接近80％；由于焦耳加热作用，电子从出口截面向阳极漂移过程中，其温度由初始的约10eV首先提升到接近60eV的峰值，该峰值出现在离出口约1／3通道长度位置上；随后，由于越来越多的能量损耗于电离过程，到阳极附近电子温度降至约25eV。受其中的一些假设所限，本模型不能反映一些特殊区域和某些比较重要的物理过程，同时能够收敛的条件也受到了限制。     

低功率变截面通道霍尔推力器电离特性

在不改变霍尔推力器特征尺寸的条件下为了提高其低功率时的性能,采用缩小通道局部通流面积的方法,利用增加电离区原子密度来提高工质利用率。实验结果表明,该方法能有效拓展低功率放电范围,控制工质电离过程,增加工质利用率,并提高霍尔推力器在低功率下的推力、比冲和效率性能。羽流发散角优化是后续变截面研究中需要重点关注的问题。     

雾化槽燃油雾化机理研究

本文从雾化槽的雾化过程、流场特点、档板结构以及油膜在翻越运动中的分布,来研究雾化槽的雾化机理。     

Confinement characteristic of primary electrons with the variation of channel width in the discharge chamber of annular ion thruster

In this paper, the confinement characteristic of primary electrons in the non-axisymmetric discharge chamber of annular ion thruster is investigated by a three-dimensional (3D) non-self-consistent particle tracking model with Monte Carlo Collision (MCC) method. The results show that: The density of primary electrons upstream of ion optics on cathode axis is about 5–50 times higher than that of the other side, which means that the density of primary electrons is obviously non-axisymmetric. The channel width has a significant effect on the average density and uniformity of primary electrons. The average density can be increased by nearly 1.5 times under the appropriate channel width, meanwhile, the variance of density distribution can be reduced by more than 2 times. This is because that increasing the channel width can improve the average confinement length of primary electrons greatly. Furthermore, there is an infection point in the increase of primary electron average confinement length with the channel width, which caused by the significant change of magnetic field structure. Under the case after the inflection point, primary electron mainly (more than 50%) moves to the channel center, which makes the average confinement length of primary electrons and their number in the discharge chamber increase largely.     

霍尔推进器磁屏蔽对磁场的优化效应研究

为研究磁屏蔽对霍尔推进器磁场位形分布的影响，以轴对称环形霍尔推进器为研究对象，采用FEMM软件对各种磁屏蔽情况下的磁场分布进行仿真；结合流体模型，利用四阶龙格库塔方法对放电通道内各粒子的输运性质进行研究。结果表明：内外磁屏蔽材料高度变化时磁场位形存在最优分布；电子温度在放电通道出口附近达到最大值，约64eV。离子化频率和电子轴向有效散射频率峰值也出现在通道出口附近。     

网格式肋化通道换热与总压损失特性研究

通过两个实验模型,对矩形网格式肋化通道的换热与总压损失特性进行了实验研究。模型通道的两个宽边是由铝板机械加工而成的肋化壁,两个短边是由胶木板制成的绝热壁。肋化壁上肋与通道轴线所形成的锐角定义为肋向角α,第一个模型的两个宽边上的肋向角分别为45°和-45°(简称45/45模型);第二个模型两宽边的肋向角分别为45°和-60°(简称45/60模型)。两个模型的肋宽与肋间距之比t/p=0.25,肋间距与肋高之比t/e=0.30,肋高与通道高度之比e/H=0.50,即两个肋化壁的肋尖相互接触,从而形成网格式通道。实验表明当雷诺数在0.5×105～1.2×105范围内变化时,网格式内冷通道换热效果比光滑通道提高了5～9倍,但伴随的总压损失增加了3个数量级。      

雾化槽喷嘴的流场结构与流动损失

本文对雾化槽喷嘴的流场结构与流动损失进行了研究,发现雾化槽喷嘴的几何结构对流场结构与流动损失有较大的影响,并相应地总结了流阻系数与雾化槽喷嘴的几何结构和来流M数之间的关系.得出了在航空发动机加力燃烧室中的燃油总管前放置雾化槽挡板,其冷态总压恢复系数下降很小的结论.本研究仅是雾化槽喷嘴工程应用研究的一部分.