离子发动机栅极系统电子回流数值模拟

以离子发动机栅极系统为研究对象,基于网格质点法(PIC),建立了二维数值计算模型.利用模型能够较好地模拟离子在栅极系统中的运动,得到栅极系统周围的电势分布以及离子和电子的密度分布等.进一步的计算结果表明,在几何参数一定的条件下,加速栅极电压以及加速栅极孔径对加速栅极下游的电子密度分布有重要的影响.选取合适的加速栅极电压和孔半径,可以阻止电子回流的产生,使离子发动机获得较佳的性能.      

电荷交换离子对栅极系统束流影响的数值研究

采用二维网格质点法(PIC)计算离子在离子发动机栅极系统中的运动, 通过在模型中添加离子和中性粒子电荷交换的Monte Carlo碰撞模块, 得到了电荷交换离子在栅极周围的分布及电荷交换离子的运动规律.计算结果表明:考虑电荷交换离子后, 屏栅极电流较不考虑电荷交换离子情况时增大了1.42%, 所受影响不大, 加速栅极电流由0增大到主束流电流的1.41%.模拟结果表明:加速栅极下游较远处产生的电荷交换离子, 是造成加速栅极下游面腐蚀及加速栅极电流的主要原因.      

不同环境温度对30cm离子推力器三栅极组件的离子刻蚀速率影响分析

为了对不同环境温度造成的30cm离子推力器三栅极组件离子刻蚀速率的影响进行分析,采用有限元仿真与试验验证相结合的方法,计算并试验验证了不同环境温度下的三栅极组件热平衡温度以及栅极间的相对位移变化,采用流体方法模拟了不同环境温度(20℃,-70℃,-120℃和-170℃)对三栅极组件的刻蚀影响,并结合短期寿命试验结果进行验证。结果显示:随着环境温度的降低,屏栅达到温度平衡的时间无变化,而加速栅温度平衡所需的时间则明显延长,20℃下的屏栅和加速栅热仿真结果与室温下推力器热平衡试验结果比对误差分别为7%和5%;其次环境温度的降低,会导致屏栅与加速栅的中心间距和边缘间距均缩小,而加速栅和减速栅的边缘间距却逐渐拉大,仿真结果与栅极热间距摄像测量结果符合性较好;根据三栅极组件的栅孔径扩大率随环境温度变化的计算结果来看,加速栅中心和减速栅边缘是离子刻蚀的主要位置,轰击至加速栅中心区域的离子数速率约是边缘的3倍,而轰击至减速栅边缘区域的离子数速率是中心的2.5倍,且环境温度的降低对加速栅中心区域离子刻蚀的影响更为强烈;经2100h的寿命试验验证,仿真结果与试验结果基本符合,误差经分析认为主要来自于流体方法的参数设置过程以及栅孔壁面均匀刻蚀的计算假设。     

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。     

考虑电荷交换的三维离子发动机栅极粒子模拟

为了对离子发动机光学系统进行数值分析，开发了考虑电荷交换的三维离子发动机栅极粒子模拟程序。模拟程序采用单元内粒子（PIC）方法，光学系统为双栅极结构，推进剂采用氙，总加速电压为1600V，栅极间距为1mm，粒子之间的电荷交换碰撞模型采用蒙特卡洛方法。采用链式存储结构存储粒子信息，可以实现数组式存储方法所不能实现的功能。使用粒子模拟程序对离子发动机光学系统进行了粒子模拟，模拟得到了栅极间的电场分布和氙离子空间分布。模拟结果表明，在所取工作参数下氙离子全部通过了栅极孔，未撞击到栅极上，验证了参数的合理性。     

离子推力器双阶栅极系统引出性能研究

针对基于最优导流工况设计的双阶四栅栅极系统在多工况下的引出性能,采用浸入式有限元和粒子云算法(IFE-PIC)对其聚焦和引出过程进行了研究.研究结果表明,相较于相同聚焦电压下的传统栅极系统,基于最优导流工况设计的双阶四栅栅极系统由过聚焦进入正常聚焦的拐点右移,栅极系统的引出性能变差.因此建议双阶栅极离子推力器在设计时使...     

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。      

30cm离子推力器三栅极组件设计参数对寿命的影响研究

为了研究30cm离子推力器三栅极组件设计参数对预估寿命的影响,在完成失效模式分析的基础上,通过PIC-MCC方法对离子推力器三栅极组件的离子溅射速率进行了计算,建立起栅孔二维寿命预估模型,并针对栅极设计参数对预估寿命的影响进行研究。结果显示:导致三栅极组件的主要失效模式为5kW高功率模式下的离子直接轰击所造成的栅极早期结构失效,且减速栅的过快离子溅射腐蚀成为影响三栅极组件寿命的关键,而不同工作模式不会产生新的失效方式,仅影响栅极的离子溅射速率以及寿命;在现有三栅极设计参数条件下,当推力器工作时,栅极引出的离子束流处于明显欠聚焦状态,且加速栅寿命预估值约为9062h,而减速栅约为2642h;通过PIC-MCC方法得到的栅极三个关键设计参数对寿命的影响模拟结果显示,降低加速栅电压对提升减速栅寿命的作用较小;缩小加速栅与减速栅冷态间距后,离子溅射速率会随着冷态间距的缩小逐渐降低,冷态间距由1mm缩小至0.6mm后,减速栅在5kW工况下的工作寿命可提升至10726h,且经试验验证该间距可满足推力器力学环境试验要求;缩小屏栅孔径对改变离子束流引出形状具有显著作用,单孔束流发散角度随着屏栅孔径的缩小出现了明显降低,且束流离子几乎不会再直接轰击至减速栅上游区域,当屏栅孔径由1.9mm缩小至1.6mm后,减速栅工作寿命可提升至9259h;分析结果对后续开展栅极组件的寿命优化设计提供了参考。     

离子推力器加速栅寿命概率性分析

交换电荷离子对加速栅极的溅射腐蚀是离子推力器的关键失效模式之一,基于交换电荷离子对加速栅溅射腐蚀的物理机理,对离子推力器加速栅工作寿命进行了概率性建模。利用该模型对20cm Xe离子推力器加速栅寿命和其达到预期寿命的可靠度进行了评估。结果显示加速栅的寿命近似服从高斯分布,当推力器工作环境压力近似6.7×10-3Pa时,加速栅工作寿命达到3kh的可靠度为0.9352。     

离子推力器欠聚焦冲击电流的数值模拟

离子光学系统的离子束引出过程是离子推力器重要的物理过程,该过程直接关系到推力器的推力、比冲、效率等参数。为研究离子在离子推力器光学系统中的运动特性,使用了基于IFE-PIC（Immersed Finite Element Particle-In-Cell）的离子推力器光学系统离子束引出过程的三维数值计算模型,计算了栅极间电场分布、电荷密度,栅极冲击电流及欠聚焦极限。计算结果表明,当屏栅极电压不同时,发生欠聚焦的等离子束电流也不同。在欠聚焦工况下,一部分离子与栅极碰撞,产生冲击电流。冲击电流随电离室等离子体数密度增加而增大。     

Numerical Simulation of Characteristics of CEX Ions in Ion Thruster Optical System

Charge exchange(CEX) ions could inflict severe damages on the ion thruster optical system. This article is aimed at investigating the characteristics of the CEX ions and their influences upon the optical system by means of particle-in- cell(PIC) ion simulation and Monte Carlo collision(MCC) methods. The results from numerical simulation indicate that despite the fact that CEX ions appear in the entire beamlet region near the ion optical system, the ones that present themselves downstream of the accelerator grid have good reason for attracting more attention. As their trajectories are significantly affected by the local electric field, a great number of CEX ions are accelerated toward grids resulting in sputtering erosion. When the influences of the CEX ions are considered in the numerical simulation, there could hardly be observed augments in the screen grid current, but the accelerator grid current increases from zero to 1. 4% of the beamlet current. It can be understood from the numerical simulation that the CEX ions formed in the region far downstream of the accelerator grid should be blamed for the erosion on the downstream surface of the accelerator grid.     

Particle simulation of grid system for krypton ion thrusters

The transport processes of plasmas in grid systems of krypton (Kr) ion thrusters at different acceleration voltages were simulated with a 3D-PIC model, and the result was compared with xenon (Xe) ion thrusters. The variation of the screen grid transparency, the accelerator grid current ratio and the divergence loss were explored. It is found that the screen grid transparency increases with the acceleration voltage and decreases with the beam current, while the accelerator grid current ratio and divergence loss decrease first and then increase with the beam current. This result is the same with Xe ion thrusters. Simulation results also show that Kr ion thrusters have more advantages than Xe ion thrusters, such as higher screen grid transparency, smaller accelerator grid current ratio, larger cut-off current threshold, and better divergence loss characteristic. These advantages mean that Kr ion thrusters have the ability of operating in a wide range of current. Through comprehensive analyses, it can be concluded that using Kr as propellant is very suitable for a multi-mode ion thruster design.     

Plasma transport simulation under different conditions and optimization analysis of dual-stage grid ion thruster

In order to study the extraction and acceleration mechanism of the dual-stage grid, a three-dimensional model based on the Particle-In-Cell/Monte Carlo Collision(PIC/MCC) method is performed. Dual-stage grid ion thruster is a new type of electrostatic ion thruster, which can break through the limitations of traditional gridded ion thrusters, and greatly improve the specific impulse. The high performance also makes the grid sensitive to operating parameters. In this paper,the influence of grid pa...     

Energisation of O+ and O+ 2 Ions at Mars: An Analysis of a 3-D Quasi-Neutral Hybrid Model Simulation

We have studied the loss of O⁺ and O⁺ ₂ ions at Mars with a numerical model. In our quasi-neutral hybrid model ions (H⁺, He⁺⁺, O⁺, O⁺ ₂) are treated as particles while electrons form a massless charge-neutralising fluid. The employed model version does not include the Martian magnetic field resulting from the crustal magnetic anomalies. In this study we focus the Martian nightside where the ASPERA instrument on the Phobos-2 spacecraft and recently the ASPERA-3 instruments on the Mars Express spacecraft have measured the proprieties of escaping atomic and molecular ions, in particular O⁺ and O⁺ ₂ ions. We study the ion velocity distribution and how the escaping planetary ions are distributed in the tail. We also create similar types of energy-spectrograms from the simulation as were obtained from ASPERA-3 ion measurements. We found that the properties of the simulated escaping planetary ions have many qualitative and quantitative similarities with the observations made by ASPERA instruments. The general agreement with the observations suggest that acceleration of the planetary ions by the convective electric field associated with the flowing plasma is the key acceleration mechanism for the escaping ions observed at Mars.     

配电方式对Kaufman离子推力器性能的影响研究

目前Kaufman离子推力器主要有两种最具代表性的配电方式:屏栅极电源正端分别连接阳极电源正、负端的配电方式。为了研究配电方式对Kaufman离子推力器工作性能的影响,基于等离子体理论和推力器工作原理,分析两种主要配电方式下放电室电极电势及电流平衡关系,推导了放电室等离子体特性表达式,理论分析了配电方式对离子推力器多种性能参数的影响。结合兰州空间技术物理研究所自研的LIPS300离子推力器在两种配电方式下工作在3kW和5kW的性能试验,通过解析方法对离子推力器多种工作参数和性能参数进行分析,试验结果与理论分析结果具有良好的一致性。研究表明:采用屏栅极电源正端连接阳极电源负端的配电方式能够获得更大的推力和比冲,并能提高离子对栅极透明度,减少离子对屏栅极的溅射,从而提高栅极寿命,但束离子产生成本稍高。研究结果可为离子推力器配电方式的设计与优化提供依据。     

三栅极离子推力器电子反流失效影响参数的敏感性研究

电子反流失效模式是离子推力器关键失效模式之一,决定推力器工作寿命。为明确各参数对电子反流失效模式的影响程度,确定加速应力,为地面加速寿命实验验证方案和长寿命优化设计提供数据支持,采用Hybrid-PIC-MCC (Particle in Cell-Monte Carlo Collision)方法,构建了三栅极系统数值仿真模型。采用模型研究了地面真空舱本底压力、屏栅电压、加速栅电压、屏栅与加速栅间距、屏栅上游等离子体密度和放电室工质利用率等参数的影响敏感度对比。研究结果显示,真空舱本底压力可以作为加速寿命试验的首选加速应力,在推力器结构和工作本征参数中工质利用率为最敏感应力,其次是屏栅电压、屏栅上游等离子体密度、加速栅电压、屏栅和加速栅间距。     

离子发动机羽流特性的数值模拟

离子发动机羽流中产生的交换电荷(CEX)离子返流会影响航天器的正常工作.建立离子发动机羽流模型,采用单元内粒子方法(PIC)对羽流场进行数值模拟计算.结合DS-1探测器飞行实验的测量结果,分析了卫星电势、电子温度、卫星几何尺寸、推力器工作特性等对相关因素对CEX离子返流特性的影响.结果表明:从推力器出口附近到卫星背面,CEX离子密度为108~1012m-3.当卫星电势从-15V变化到27V,测量点位置处CEX离子密度从0.65×1012m-3变化到1.5×1012m-3.羽流中CEX离子密度和电势结构随电子温度变化不大,但电势大小随电子温度成比例地变化.同一位置处不同工况下CEX离子的密度可根据CEX离子生成率与工作点参数间的关系式准确地估计.卫星安装推力器的表面起着对CEX离子返流屏蔽和降低的作用.      

Ion Acceleration at the Earth’s Bow Shock

The Earth’s bow shock is the most studied example of a collisionless shock in the solar system. It is also widely used to model or predict the behaviour at other astrophysical shock systems. Spacecraft observations, theoretical modelling and numerical simulations have led to a detailed understanding of the bow shock structure, the spatial organization of the components making up the shock interaction system, as well as fundamental shock processes such as particle heating and acceleration. In this paper we review the observations of accelerated ions at and upstream of the terrestrial bow shock and discuss the models and theories used to explain them. We describe the global morphology of the quasi-perpendicular and quasi-parallel shock regions and the foreshock. The acceleration processes for field-aligned beams and diffuse ion distribution types are discussed with connection to foreshock morphology and shock structure. The different possible mechanisms for extracting solar wind ions into the acceleration processes are also described. Despite several decades of study, there still remain some unsolved problems concerning ion acceleration at the bow shock, and we summarize these challenges.