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。     

离子液体电喷微推力器系统设计及性能初步研究

为了研究发射电压和流量对离子液体电喷微推力器性能的影响,设计了一种主动供给型离子液体电喷微推力器,建立了推进剂供给系统、真空系统和飞行时间测试系统,首先对推进剂供给系统进行了流量标定,使用飞行时间法在不同流量和不同发射电压条件下对推力器进行测试,根据飞行时间曲线得出推力器的基本性能。试验证明推力器能够在真空环境中实现正负模式交替发射,得到了推进剂供应系统的流量变化范围和推力器性能随发射电压和流量的变化规律。结果表明该系统推进剂流量供应为100nL/s～500nL/s。发射电流均随发射电压和流量增加而增加,发射电流受发射电压的影响更加显著。推力器推力受发射电压影响较大而比冲受流量影响较大。在实验条件下推力器的推力为112μN～183μN,比冲为250s～315s,效率为77%～90%,表明推力器处于胶体发射模式。     

基于Matlab/Simulink的离子推力器输入参数设计模型研究

离子推力器的输入参数设计直接决定其工作性能以及寿命,为了有效降低在前期设计阶段,由于输入参数设计缺陷导致的输出性能和预估寿命不一致性,以及后期优化改进所带来的风险及高昂成本,根据离子推力器工作过程的宏观描述以及寿命理论预估方法,基于Matlab/Simulink建立起离子推力器输入参数设计模型,实现了根据推力、比冲、效率等设计指标完成输入参数计算以及寿命预估的目的。结果显示:以30cm离子推力器为例,根据参数设计模型得到5kW额定工况下的关键输入参数与目前实际输入参数的比对误差均在5%以内,而模型得到的关键指标参数与冷启动试验测试值的比对误差同样在5%以内,3600h后的加速栅孔径刻蚀计算结果与试验结果比对误差在10%以内,证明了离子推力器输入参数设计模型的合理性,输入参数设计模型可用于后续同类型离子推力器的早期输入参数确定以及设计指标匹配性评价。     

离子推进系统仿真与故障诊断研究

离子电推进系统由于组成复杂，发生故障的概率大大增加，通过系统仿真并在此基础上开展故障诊断研究，对于识别故障原因及保障离子推力器系统正常工作具有重要作用。本文结合离子电推进系统各子系统数学模型，利用Matlab/Simulink实现了离子推力器系统仿真模型，基于LIPS-300离子推力器数据，对其性能进行了仿真，仿真模型输出结果与相关文献中已有的结果一致。采用该系统仿真模型结合故障因子，对故障状态的离子推力器系统进行了仿真，利用得到的故障数据与Matlab神经网络工具箱建立了离子推力器故障诊断系统。利用仿真模型额外生成另一组已知对应故障模式的故障状态运行数据，并利用该组数据对故障诊断系统进行了诊断能力测试，系统诊断结果与其已知对应故障模式相比，正确率为93.8%。     

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。     

离子推力器极少数据可靠性评估方法

针对只有两台离子推力器进行寿命试验,试验结果为极少失效数据的情况,建立了一种离子推力器整机可靠性评估方法.通过引入区间统计量的概念,充分开发从最后一个失效数据继续试验到没有发生产品失效这一重要试验信息,由高斯-马尔科夫定理计算出寿命分布参数的最佳线性无偏估计,并给出离子推力器可靠度和寿命的单侧置信下限.最后,对美国NASA研制的型号为XIPS-13的离子推力器进行可靠性评估,得出了其寿命需求10000h的可靠度单侧置信下限为0.87及给定可靠度为0.9时的寿命单侧置信下限为9024.6h,该方法精度较高,便于工程应用.      

改善离子推力器束流均匀性的方法

离子推力器的束流分布,直接影响离子推力器离子光学系统（亦称栅极组件）的性能和寿命。通过对离子推力器离子光学系统的改进和放电室磁场的优化,使束流均匀性系数R值达到0.7左右。离子推力器束流分布均匀性的有效提高,有助于改善离子光学系统的受热分布,降低离子光学系统的温度,并能减小其温度差,使离子光学系统的热应力和热变形降低,进而延长离子推力器的寿命。     

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。      

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。     

弹丸脉冲侧喷力俯仰调姿试验与仿真研究

为了解某地面垂直发射弹丸在不同直接力控制系统（RCS）输出条件下的俯仰调姿运动情况，分别采用试验与仿真的方法进行了研究。首先，设计了用于弹丸调姿试验的脉冲侧向推力器、地面发射装置以及同步测试系统，利用高速摄像机测量了弹丸在不同推力器装药量和点火间隔时间情况下的调姿运动情况，并指出这两个参量是决定弹丸最终姿态角的主要因素，需要根据目标姿态角进行合理地搭配。然后，建立了考虑脉冲侧向推力器内弹道过程的弹丸调姿运动模型，并与试验结果进行了对比，验证了仿真模型的预测误差在5%以内。随后，利用仿真模型分析了不同推力器装药量时脉冲推力的变化情况，指出装药量对脉冲推力的变化规律有重要影响，需要与弹丸运动耦合计算以获得更高的精度。最后，对不同推力器装药量时弹丸调整到各目标姿态角所需的点火间隔时间进行了计算，为进一步的研究提供了数据参考。     

离子推力器栅极系统电子反流阈值的数值分析

阻止束流等离子体中电子反流到加速栅上游区域是离子推力器加速栅负电压的主要作用之一,能够阻止电子反流的加速栅电压最小值称为电子反流阈值。加速栅电压的选择直接影响到离子推力器的工作性能和运行寿命,电子反流阈值电压是确定加速栅电压的重要参考参数。基于PIC方法计算了20cm氙离子推力器加速栅电子反流阈值,并分析了加速栅孔径、栅间距、单孔引出束流电流大小对加速栅电子反流阈值电压的影响,计算结果与试验测量值符合较好。该数值模型为加速栅参数的选择和降低电子反流失效风险方法提供了参考,为下一步电子反流现象对加速栅寿命的预测分析奠定了基础。     

氙离子推力器阳极工质分配方式优化

使用两种数值方法研究微尺度下惰性气体的流动现象,验证表明壁面速度滑移条件的N-S（Navier-Stokes）方法能够较好地模拟离子推力器气体分配环内工质流动特性.为了降低氙工质注入放电室过程中气流速度,并改善其周向均匀性,针对现有气体分配环构型提出符合4级环切场离子推力器放电特性的改进方案:增加2级供气通道,进行双侧45°角开孔并增加气孔数目.数值计算表明:结构优化后氙气进入放电室周向均匀性提高37%,气流速度降低32%；推力器装配优化方案气体分配环进行实验,大束流工况下束离子电离能耗自183W/A下降至167W/A,离子推力器放电室性能得到了提高.      

基于加速栅溅射腐蚀失效的离子推力器寿命预测

离子推力器加速栅溅射腐蚀失效是制约离子推力器寿命的关键失效模式之一.针对离子推力器长寿命、多功率条件下运行的特点,基于坑和凹槽的溅射腐蚀数据,建立模型对其进行寿命预测.通过研究离子推力器加速栅中心凹槽腐蚀深度在不同功率段下随工作时间的变化规律发现:运行功率顺序对加速栅凹槽腐蚀率影响较小,进而采用累积损伤理论建立离子推力器多功率段下运行的寿命预测模型.最后, 对美国的NASA's Evolutionary Xenon Thruster(NEXT)进行了寿命预测,预测结果寿命为46041h,与试验结果符合较好.      

两种会切场离子推力器对比研究

环型会切场离子推力器和柱型会切场离子推力器是当前广泛应用和研究的两种会切场离子推力器。基于30cm环型会切场离子推力器LIPS-300H和30cm柱型会切场离子推力器LIPS-300Z,对比研究了两类会切场离子推力器各自优劣及其机理。首先分析了两种会切场原理,总结给出了两种会切场差异,然后实验对比研究了两种会切场离子推力器束流均匀性、放电效率和寿命。实验结果显示：LIPS-300H相比LIPS-300Z在3kW和5kW工况下束流密度峰值分别降低25%和19%,放电电压分别降低7.8V和6.2V,放电损耗分别增加20W/A和32W/A,屏栅预测寿命分别增加6.7倍和3.2倍。试验结果表明：虽然LIPS-300Z比LIPS-300H具有放电损耗低的优点,但其较差的束流均匀性,较高的阳极电压和双荷离子比,使其在寿命和可靠性方面劣于LIPS-300H。     

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。     

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。     

离子推力器栅极热变形的摄像测量方法

为了解决离子推力器栅极在真空、高温、等离子体环境中微小热变形量检测的技术难题,提出了一种基于摄像测量原理的离子推力器栅极热变形测量方法,设计了一套基于远距显微镜进行栅极热变形测量的系统。运用交互式分区标定方法获得多目标清晰边缘,借助陶瓷探针及圆形合作标志完成栅极亚像素级变形量检测、图像放大系数计算以及切向畸变校正、水平面校正。精度验证实验表明本方法静态检测精度9μm,栅极热变形实验测量结果与国外同类实验趋势一致,系统满足离子推力器栅极热变形测量的需求。     

射频离子推力器热特性仿真分析

为了分析射频离子推力器热特性，建立了射频离子推力器整体热模型，基于二维流体模型，对11cm射频离子推力器开展了放电室等离子体仿真，获得了电子温度、电势分布等关键参数；以等离子体仿真结果和实测束电流为输入，获得了各热源的热通量；通过有限元计算获得了关键部组件的温度分布，与实验结果进行了对比分析。研究结果显示：放电室内电子温度约为3.6eV~3.9eV，等离子体电势最高20V，发热损耗主要来自带电粒子轰击放电室壁面和栅极造成的能量沉积、激发原子的热辐射以及射频线圈自身的发热损耗，温度仿真与实测结果一致性良好，最大误差7%，仿真得到的温度分布可以作为输入参数进一步研究栅极受热形变及对束流的影响。     

氙离子推力器束流双荷离子特性及诊断

为了对离子推力器束流中双荷离子比例进行快速评估，采用放电室经验理论模型通过实验参数获得放电室等离子体参数，根据单、双荷氙离子的不同产生过程，计算得到束流中双/单荷离子密度比.针对兰州空间技术物理研究所20cm氙离子推力器进行了实验，使用E×B探针束流诊断系统获取了束流中双/单荷离子的平均比率.结果表明:在额定工况下理论计算值为0.071与测试结果为0.077符合良好.      

三栅极离子推力器电子反流失效影响参数的敏感性研究（空间推进专刊）

针对电子反流失效模式主导的三栅极离子推力器加速寿命试验加速应力选择及长寿命优化,需要开展影响参数的敏感性对比研究,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。研究结果为三栅极离子推力器地面加速寿命试验验证方案设计和长寿命优化设计提供了数据支持。