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。     

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。     

空间用空心阴极研究进展

空心阴极是离子推力器、霍尔推力器、等离子接触器、空心阴极微推力器的核心组件。介绍了国外针对上述空间应用所进行的空心阴极研究进展,分析了国外空间用空心阴极技术的发展趋势,对我国空间用空心阴极技术发展思路提出建议。     

Diagnostic and modelling investigation on the ion acceleration and plasma throttling effects in a dual-emitter hollow cathode micro-thruster

Hollow cathode discharges are widely used as neutralizers for the electric propulsion systems and recently developed into micro-thrusters for the small satellites. In this work, a dual-emitter hollow cathode thruster is developed, which can be operated in two different modes—the neutralizer mode and the micro-thruster mode. For characterizing this kind of new device, the Langmuir probe, Faraday probe, and retarding potential analyzer are used to determine the electron temperature, electron density, ion flux, and ion energy distribution function. The operating parameters, including the thrust, and specific impulse, are also measured. A two-dimensional self-consistent extended fluid model is employed to calculate the spatial distribution of plasma parameters and the fluid field of electrons in the region around the emitters. By comparing the diagnostic and modelling results, it is found that the change in the electric field and ionization zone is the essential reason for the different performances of the device in the neutralizer and micro-thruster modes. Variation in the electric field leads to an ion acceleration effect in the micro-thruster mode; moving of the ionization zone raises the plasma pressure in the orifice region of the hollow cathode, and thus leads to enhanced plasma throttling and gas expanding effects. By analyzing the above mechanisms, the possible methods for improving this kind of hollow cathode micro-thruster are discussed.     

多模式离子推力器流率特性实验研究

为了实现多模式离子推力器在宽功率范围内最优性能和可靠性,基于30cm多模式离子推力器通过实验开展了阴极和中和器羽状模式转变点流率、放电电压30V对应阴极流率和放电损耗曲线与束电流关系研究。30cm多模式离子推力器束电流从0.3A增加到3.3A时,阴极羽状模式转变点流率值从0.017mg/s增加到0.163mg/s,放电电压30V对应阴极流率从0.129mg/s增加到0.231mg/s,中和器羽状模式转变点流率从0.030mg/s增加到0.191mg/s。随放电室工质利用率的增加,在小束电流下放电损耗迅速增加;当束电流大于1.5A时,放电损耗对放电室工质利用率的变化较为迟钝。基于上述流率特性实验结果完成了30cm多模式离子推力器宽功率范围35个工作点下最佳流率设计。在设计的工作流率下,放电电压小于30V,阴极和中和器均工作在点状模式,实测推力为9.6mN~185.2mN、比冲为1332s~3568s、功率为258W~4761W。     

空心阴极的发射热特性研究

空心阴极的发射体在电子发射时会处于动态热平衡状态,这种发射热特性对发射体的利用率和工作寿命有重要意义。为研究空心阴极发射热特性及相关热设计方法,建立一种流-热耦合数值模型,将等离子体流场计算与组件热分布计算进行耦合,并采取一种逆向迭代方法来收敛计算,数值模型在验证试验下的计算误差低于11.3%。在此基础上,对发射体温差的机理以及阴极顶孔径对发射体温差的影响规律进行数值分析,主要结论为:羽状模式下的核心电离区较发散,导致发射体温差较点状模式高出50 K左右;适当增加阴极顶孔径可对发射体温差有降低作用。     

各推力级霍尔推力器研究现状与展望

介绍了霍尔推力器原理的基础上,推导分析了霍尔推力器推力的影响因素,总结了改变其推力的主要方法。概述了微牛级、毫牛级和牛级等不同推力级适用的航天任务类型,按照3个级别对国内外霍尔推力器型号进行了分类,分别对3个推力级各系列型号的发展及趋势进行了梳理与分析。对各推力级霍尔推力器发展的关键技术进行了展望。针对其中的技术瓶颈与发展趋势进行了总结分析。全面、系统地针对各推力级霍尔推力器进行了综述。结果表明:毫牛级发展最为成熟的推力级,而随着航天任务类型逐渐丰富,微牛级和牛级霍尔推力器发展潜力愈发突出;研究结果提出了霍尔推进器应提升整体性能、扩展推力覆盖范围,强化多模式工作能力,发展空心阴极以及探究不同推进剂等建议。该研究结果对于霍尔电推进的进一步发展具有参考价值。      

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。     

同轴型微波等离子推力器磁场效应

在2.45 GHz同轴型微波等离子体推力器中加入磁场可以提高推力器的性能。这是由于磁场的存在,在推力器启动阶段会形成电子回旋共振区;稳定工作时,等离子体获得的焦尔热比没有磁场时高,这些都增加了等离子体吸收的微波能量。以氩气为工质,对外加磁场微波等离子推力器进行了实验研究,结果表明,推力器可以达到较高的耦合效率。对等离子体羽流的诊断则表明,外加磁场提高了推力器谐振腔内工质气体的电离度。     

用Xe和Kr作为霍尔电推进工质的比较

氪气作为一种惰性气体,其在地球上的资源相对于氙气要丰富很多,因此,作为氙气替代物的氪气研究,对于霍尔电推进系统的全面空间应用具有重要的意义。对亚千瓦级霍尔推力器使用氪气作为推进剂的性能、羽流进行了研究,并与氙气推进剂进行了比较。通过氪/氙气推进剂性能的比较,得出亚千瓦级霍尔推力器使用氪气作为推进剂时,性能有较大的下降,但是在大阳极流量、高功率工况下性能有变好的趋势。通过对氪/氙气羽流电子温度、电子密度、离子电流密度、离子能量的比较分析,找出了影响氪气推进剂性能的部分因素,为下一步氪气的应用研究工作提出了改进的方向。     

分块阳极式激光支持的脉冲等离子体推力器实验研究

通过纳秒激光烧蚀羽流特性的研究证实了羽流分裂现象的存在,为了抑制羽流分裂现象可能带来的滞后烧蚀而将分块阳极构型引入激光支持的脉冲等离子体推力器中,由此首次提出了分块阳极式激光支持的脉冲等离子体推力器的概念.通过实验对比研究了分块阳极和正常阳极构型的放电特性参数、性能参数和放电电弧发展演化等特性.结果表明,分块阳极构型能...     

空间电动力绳系电流峰值点变化规律研究

为研究电流峰值点在几种影响因素下的变化规律,建立一种能够捕捉绳系电子发射与收集自洽平衡过程的新算法——电路空间耦合算法。为验证该方法的计算精度,以1.35kW霍尔推力器为等离子体源,在真空舱内开展绳系的电荷收集试验,在电路参数方面,计算精度约为12.8%,在场参数方面,计算精度约为3.6%。在此基础上,针对不同偏置电压、绳系长度以及绳系直径,对绳系的绳上电流分布、电势分布以及空间电势分布等参数进行数值计算。结果显示:电动力绳系的电流峰值点会随着偏置电压升高、绳系长度增加及绳系直径增大而发生比例上的向阳极端漂移,揭示了电子轨道运动限制的机制在各类壁面电荷输运机制中占优,导致电流峰值点漂移的产生。     

基于SPT70的微波霍尔推力器谐振腔电磁特征计算分析

微波霍尔推力器是双极霍尔推力器的一种形式,其电离源中的圆柱谐振腔是一个关键件,它承担着微波能量的传输并激发表面波等离子体的重要作用。正确选择其结构和谐振模态是构建微波霍尔推力器的重要基础。为此,针对不同结构、不同谐振模态的微波谐振腔进行结构参数计算分析和电磁场分布规律数值模拟,从中选取可以和霍尔推力器SPT70加速通道相匹配的腔体结构。计算分析和数值模拟结果表明2.45GHz谐振于TM011模的圆柱谐振腔和SPT70加速通道有合适的匹配关系。     

微阴极电弧推力器工作性能影响因素研究

采用试验方法研究了微阴极电弧推力器中峰值放电电流及外加磁场对其推力、比冲、寿命的影响规律。试验结果表明:峰值放电电流增加,阴极烧蚀量增加,元冲量增大;相比于较低的峰值放电电流(10A),更高的峰值放电电流(40A)可延长推力器的工作寿命;外加磁场增强,推力器喷射等离子体轴向速度增大,比冲增加。     

基于粒子模拟的舱内布局对霍尔推进器可靠性评估真空羽流的影响

对霍尔推进器地面测试过程中真空环境下的羽流流场进行模拟研究,通过直接蒙特卡洛(DSMC)方法进行多种布局方式下的系列数值模拟,重点研究地面测试设施中舱内的抽氙冷板、束流挡板在不同布局环境下对真空羽流流场的影响。数值模拟结果显示:抽氙冷板的布局位置对羽流流场影响较不明显,但应考虑舱内各处均布以防压力局部集聚过高形成阻力;束流挡板对返流粒子的抑制作用明显,对抽氙冷板等具有较好的防护功能,但也同时改变了羽流流场分布,甚至会影响到推进器的放电特性和性能表现。通过该数值模拟方法可以实现对舱内工艺设备的设计指导,对抽氙冷板、束流挡板等进行布局优化,继而为推进器地面测试提供更为有效的测试环境。     

Hall推力器羽流数值模拟

以稳态等离子体推力器(SPT)羽流流场为研究对象,基于直接蒙特卡罗模拟与粒子单元混合方法建立数值模型,模拟等离子体稳态流动,研究流场特性。将计算结果与实验数据相比较,并与同类推力器羽流参数进行比较,以保证仿真可靠性。研究表明,所建立的仿真模型能够较好地预测SPT羽流电子数密度和离子电流密度等参数。     

Langmuir双探针测量Hall推力器羽流特性

应用Langmu ir双探针测量了距离Hall推力器出口30~100 cm的羽流特性。实验中真空舱压力保持在5×10-4~2×10-3Pa之间。实验证明,电子温度和数密度随着角度和轴向距离的变化而变化,但羽流中远场的电子温度变化幅度很小,基本稳定在0.455 eV左右;电子数密度随着与轴向距离和中心轴夹角的增加而减小。实验结果可为高性能的Hall推力器设计提供参考依据,并为等离子体羽流的数值模拟提供输入条件和验证依据。     

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。     

脉冲等离子体推力器羽流特性数值研究

以脉冲等离子体推力器羽流为研究对象,建立三维物理模型,简化并离散电子动量方程,运用单元粒子-直接模拟蒙特卡罗混合法模拟非稳态羽流流动.假定脉冲周期内推进剂粒子按正弦规律进入流场,分析流场中电势、电子、离子和原子数密度分布随着时间变化情况,并通过与已有实验数据的对比验证仿真模型.研究表明:模型能在垂直和平行于推力器极板的两个平面内预测等离子体羽流流场参数.该研究方法、结果对更深入研究脉冲等离子体推力器(PPT)羽流具有参考价值.      

电弧加热发动机羽流电子温度及电子数密度的双静电探针测量

研制了一套双静电探针测量系统,对以氩气为推进剂的1kW级电弧加热发动机羽流进行了测量,得到了电子温度和电子数密度的轴向和径向分布,以及随弧电流、气流量的变化趋势。结果表明,羽流显著偏离局域热力学平衡状态,电子温度呈现复杂的分布和变化趋势。羽流轴线上的电子温度明显低于偏离轴线处的值,而电子数密度远高于偏离轴线处的值;羽流轴线上的电子温度随弧电流的增加而降低,电子数密度随弧电流的增加而增加;羽流中心区电子温度随气流量的变化趋势不明显。