30cm离子推力器空心阴极发射体区等离子体特性研究

为了获得30cm口径离子推力器20A额定发射电流空心阴极的稳态工作性能参数并验证现有发射体结构设计的合理性,采用数值模拟及有限元分析方法研究了空心阴极发射体区的等离子体特性参数。结果显示:空心阴极发射体区的压强基本在115~150Pa内,并且中间区域的Xe气压强较高;当阴极发射体温度为1570℃时,根据一维热传导方程得到发射体热损为10.26W;发射电流为15A时,电子温度在1.5~1.7e V内,且沿轴线方向靠近阴极顶小孔的电子温度较高,而将15A发射电流作为空心阴极的工作点是较为合适的选择;数值计算得到发射体区平均电子电流密度约为1.3×105A/m2,发射体内表面面积预估为1.5cm~2,内径建议在?2~2.5mm内,采用该尺寸发射体的空心阴极通过电流发射能力试验证明其最大发射电流在19~20A内,现有发射体尺寸设计满足20A发射电流需求;发射体区中间区域离子电流密度峰值约为8.5×10~5A/m~2,应重点关注发射体中间区域的厚度设计以及离子溅射腐蚀速率。     

LIPS-200离子推力器放电室出口离子密度分布研究

为了明确国内200 mm口径离子推力器放电室出口(即栅极上游附近)离子密度径向分布,采用实验与数值仿真相结合的方法对LIPS-200推力器放电室出口离子密度进行研究。应用法拉第筒分别测试推力器栅极下游50mm和100mm位置处束流特性,结合经验模型计算出栅极出口(z=0mm)束流离子径向分布。在此基础上,通过栅极数值模拟仿真,分析出栅极系统透过率随栅孔电流变化关系,进而反推计算出放电室出口离子密度径向分布。结果显示:放电室出口离子密度平均值约为9.0×10~(17)m~(-3),最大值约为1.54×10~(18)m~(-3),最小值约为4.6×10~(17)m~(-3);离子密度径向分布具有较好的中心轴对称性,离子密度从中心处沿着径向先缓慢减小,在径向位置约为50mm时出现快速下降;对比放电室出口与栅极出口离子密度径向分布发现,中心位置两者相差最大,边缘处相差最小。     

节流孔板位置对空心阴极特性的影响研究

为满足全电推进系统的宽放电电流范围需求,开展了节流孔板内移研究。将传统结构空心阴极的一部分发射体转移到节流孔板下游,即节流孔板夹放在两段发射体之间。对比测试发现,新结构阴极的阳极电压大约降低4V,空心阴极的内压提升约50%,供气管外壁最大温差由原来的94℃下降到25℃,阳极电压振荡小于8V。进一步,利用光谱诊断系统,对阴极羽流区进行了研究。通过对羽流区等离子体固定位置进行全谱(400nm～1000nm)扫描,发现节流孔板内移之后,阴极羽流区新出现了波长为529nm和542nm的光线。利用Kura相机拍摄的羽流区二维等离子体分布图像显示,当放电电流为4A时,阴极羽流区的Xe和Xe+的密度低于传统结构空心阴极。宏观特性测试结果显示节流孔板内置式阴极可以在更宽的电流范围内维持点模式工作。可用于需要宽放电电流范围的全电推进系统以及需要低阴极供气流量、高比冲的小型电推进平台。     

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。     

高功率螺旋波等离子体诊断试验研究

高功率螺旋波等离子体源作为可变比冲磁等离子体发动机(Variable Specific Impulse Mag-netoplasma Rocket,VASIMR)的第一级,其参数直接影响发动机的性能。为提高螺旋波源的等离子体密度和工质电离率,以4kW螺旋波等离子体源为研究对象,利用射频补偿Langmuir探针诊断等离子体的离子密度和电子温度。试验结果表明,在强磁场条件下,随着功率的升高,螺旋波等离子体源内部共出现两次放电模式转换,最终进入了螺旋波放电模式。在达到螺旋波放电模式后,羽流区域的等离子体密度超过1×10~(12)cm~(-3),初步评估,放电天线区域的离子密度超过2×10~(14)cm~(-3),离子密度在放电管中心区域较高,沿径向逐渐降低。研究结果为30kW磁等离子体发动机的研制提供依据。     

离子推力器放电室阳极壁面电流密度分布特性研究

为了准确掌握离子推力器放电室阳极壁面电流密度分布特性，并深入理解阳极壁面处等离子体运动特性，设计了近阳极壁面等离子体诊断的具体实施方案，并基于LIPS-200离子推力器开展了近阳极壁面处等离子体诊断试验研究，得到了主要磁极附近壁面等离子体参数，并得到阳极壁面吸收电流密度分布特性。试验结果表明：LIPS-200离子推力器阳极壁面处主要磁极附近的等离子体密度范围为，测试点的电子温度范围为，壁面电流密度范围为；柱段壁面电子温度相对锥段较低，但电流密度较大，尤其在中间极靴位置电流密度最大，约为阴极极靴处电流密度的3倍，约为屏栅极靴处电流密度的2倍，阳极电流主要在放电室中间极靴处发生损失。     

700W功率HET-80霍尔推力器束流特性研究

霍尔推力器的束流特性能够体现推力器的工作状态,为了了解额定功率1350W的Hall Effect Thruster-80(HET-80)霍尔推力器在700W功率下的工作状态,研究设计了一套等离子体诊断系统,包括了法拉第探针、平面型Langmuir单探针、阻滞能量分析仪(RPA)和发射光谱,对HET-80霍尔推力器在700W功率下的束流特性进行了诊断实验。实验结果显示:700W功率工况下HET-80霍尔推力器束流发散半角为45°,整体呈现出纺锤形分布,束流中心区域的离子电流密度分布呈现出圆环型霍尔推力器典型的双峰结构;由于等离子体的复合碰撞导致离子量变少,实验中法拉第探针测量得到的积分电流随着轴向距离增加而减小;在束流区边缘发生了较多的CEX碰撞,使该区域电子温度骤升;中心区离子能量接近247e V,相较于推力器放电电压310V,评估霍尔推力器加速效率达79.6%,加速效率较好,整体束流结果表明HET-80霍尔推力器在700W功率工况下表现正常。实验中发现法拉第探针结合RPA测量出来的离子数密度较Langmuir探针测量出的离子数密度更为准确;由于霍尔推力器只有一个空心阴极,发射光谱得到的出口附近电子温度和离子原子相对浓度分布均为空间非均匀状态。     

离子推力器空心阴极分区均布模型研究

为了研究空心阴极结构尺寸和工况参数对放电性能的影响规律，基于发射体区和孔腔区等离子体参数均布假设，建立了一种不依赖试验和经验参数的适用于节流型空心阴极的分区均布数学模型。以LHC-5L空心阴极为算例，仿真结果与空心阴极试验结果对比表明，当输入参数在一定范围之内，计算所得放电电压误差优于20%，发射体温度误差优于15%，放电电压等参数随放电电流、工质流率、关键结构尺寸的变化趋势与试验结果基本一致，证明该模型可以用于预测空心阴极放电性能，为空心阴极结构参数选择和设计优化提供依据。     

离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀的粒子模拟

为研究离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀速的特征及影响规律,采用单元内粒子——蒙特卡罗碰撞(PIC-MCC)方法,结合溅射腐蚀模型,模拟了栅极间束流离子及交换电荷(CEX)离子的分布情况,得到离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀情况及平均腐蚀率,为0.0176μm/h。进一步研究了工作参数和几何参数对其影响,并建立了适用于工程应用的加速栅极孔扩大腐蚀预测模型。结果表明,在影响孔扩大腐蚀率各种因素中,束流电流密度和中性气体密度的影响最大。因此,在离子发动机直径一定的情况下,提高放电室出口等离子体密度的均匀性及推进剂利用率,是提高栅极寿命的根本途径。      

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。