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。     

LIPS-300离子推力器环形会切磁场等效磁路分析研究

针对多种工作模式下推力器放电室磁路设计的复杂性问题,为实现电磁体磁场向永磁体磁场的磁路转换,利用磁路等效法,建立离子推力器磁路系统的等效磁路模型。在此基础上,结合有限元理论,分析获得产生与电磁体磁场的磁路构型相同的永磁体结构尺寸,将离子推力器放电室在永磁体磁场状态与电磁体磁场状态下的磁感应强度进行对比。结果表明:磁路转换后关键点磁感应强度相对误差低于5%,且永磁体样机工作放电损耗为141.8W/A,阳极震荡电压为10V,符合磁路转换要求和磁场设计目标,验证了等效磁路模型分析结果的正确性及方法的可行性。     

基于等效磁路的LIPS-200离子推力器磁场特性

以放电室阳极振荡电压和放电损耗的最小化为目标,结合正交试验方法,获得了性能提升后可实现长期稳定工作的LIPS-200离子推力器最佳磁路结构与磁场构型。基于此,运用等效磁路方法,采用有限元离散形式,建立了LIPS-200离子推力器放电室磁场模型,研究了特定空间排布下电磁体的永磁体替代方案。利用放电室磁感应强度测试和整机工作性能对比验证了永磁体替代方案的等效性及分析方法的可行性和计算结果的正确性。结果表明:两种磁场状态下的推力器放电室特征位置磁感应强度相对误差低于5%,且推力器工作敏感参数变化情况符合预期,满足磁路等效目标,达到磁路结构再优化,工作性能再提升的整体目标。      

激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程实验研究

为了加深对激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程的认识，本文对有无陶瓷隔离板和不同初始电压下的激光支持的脉冲等离子体推力器进行了实验研究。利用放电伏安特性对比了放电特性参数和性能参数，然后利用结合窄带滤光镜的高速摄影技术揭示了性能差异背后的物理过程变化。结果表明，陶瓷隔离板可以有效避免放电电弧对工质的烧蚀，这可以抑制滞后烧蚀的产生，从而提高推力器的推进性能。对激光烧蚀产生的工质的电离和加速是在多次振荡放电过程中进行，而不像理想电流片模型那样只电离和加速一次。放电通道内工质的电离和加速效果最为显著的时间为放电的第2个半周期。随着初始电压的增加，单位放电能量产生的推进性能先增加后趋于平稳，然后继续增加。单位放电能量产生的推进性能在初始电压高于2050V后得到较大的提高，通过放电等离子体图像推测，这意味着附着等离子体电弧的存在对推力器性能的提高有重要影响。     

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。     

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。     

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。     

自励模式霍尔推力器设计

为实现P70霍尔推力器自励模式稳定放电运行,分别设计了满足自励模式放电要求的磁路和电路。其磁路设计是基于霍尔推力器他励运行模式最优放电性能参数和磁势不变原理,采用FEMM有限元磁场计算软件建模,将推力器内铁心半径由7 mm减至4 mm,可得到满足自励模式运行要求的优化磁场。针对电磁线圈串入主放电回路不同位置对放电的影响,考虑电磁线圈绝缘要求,提出将电磁线圈串入放电电源负极性端,整体电路设计可使放电可靠。性能对比实验表明,自励模式与他励模式性能接近,在放电电压为420V时,自励模式最高效率达到61%。自励模式实验获得了稳定放电,且放电电流低频振荡幅值很小。     

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。     

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。     

纸基蜂窝模块化固持方法研究

 基于磁场与摩擦学蜂窝芯材料固持原理,提出复杂型面纸基蜂窝零件固持平台的模块化设计思想。运用移动模块、固定模块、模块夹具以及导磁体和隔磁体解决了该原理中磁路控制问题,实现了复杂曲面零件在模块化固持平台上的加工固持。通过理论分析和有限元仿真研究了固持系统中蜂窝孔格的受力,分析了固持系统的特点和可靠性,以及永磁体厚度、固定平台高度、铁粉填充高度和平台间隙对磁场力的影响规律。实验与仿真结果表明,模块化固持平台能够满足复杂曲面蜂窝铣削加工的固持要求。     

Theoretical study of flow ripple for an aviation axial-piston pump with damping holes in the valve plate

Based on the structure of a certain type of aviation axial-piston pump＇s valve plate which adopts a pre-pressurization fluid path （consisting a damping hole, a buffer chamber, and an orifice） to reduce flow ripple, a single-piston model of the aviation axial-piston pump is presented. This sin- gle-piston model comprehensively considers fluid compressibility, orifice restriction effect, fluid resistance in the capillary tube, and the leakage flow. Besides, the instantaneous discharge areas used in the single-piston model have been calculated in detail. Based on the single-piston model, a multi-piston pump model has been established according to the simple hydraulic circuit. The sin- gle- and multi-piston pump models have been realized by the S-function in Matlab/Simulink. The developed multi-piston pump model has been validated by being compared with the numerical result by computational fluid dynamic （CFD）. The effects of the pre-pressurization fluid path on the flow ripple and the instantaneous pressure in the piston chamber have been studied and opti- mized design recommendations for the aviation axial-piston pump have been given out.     

Investigation of MHD power generation with supersonic non-equilibrium RF discharge

Magnetohydrodynamic (MHD) power generation with supersonic non-equilibrium plasma is demonstrated. Capacitively coupled radio frequency (RF) discharge (6 MHz, maximum continual power output of 200 W) was adopted to ionize the Mach number 3.5 (650 m/s), 0.023 kg/m3 airflow. In a MHD channel of 16 mm × 10 mm × 20 mm, MHD open voltage of 10 V is realized in the magnetic field of 1.25 T, and power of 0.12 mW is extracted steadily and con-tinuously in the magnetic field of 1 T. The reasons for limited power generation are proposed as:low conductivity of RF discharge; large touch resistance between MHD electrode and plasma;strong current eddies due to flow boundary layer. In addition, the cathode voltage fall is too low to have obvious effects on MHD power generation.     

考虑磁场饱和的双定子永磁同步发电机的磁路模型

双定子永磁同步发电机(DSPMSG)包括内外两个定子和中间的转子,一般的电磁场计算软件计算比较困难。建立DSPMSG的磁路计算模型,利用铁磁材料的磁化特性曲线考虑磁场饱和,并同时考虑内、外两套绕组电枢反应对永磁磁场的影响,可对电机的性能参数进行计算,便于设计变量的及时快速调整。通过对1台3.3 kW样机的磁路计算和有限元计算的比较,证明了该模型的有效性和实用性。