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。     

射频离子推力器多元工质束流调节试验研究

为了获得射频离子推力器离子束流随放电参数的变化规律,采用试验研究的方法,就推力器引出束流与射频功率强度、工质种类、工质流量之间的调节规律开展了研究,搭建了射频离子推力器束流调节试验系统。研究结果表明:屏栅电压1200V,加速电压-250V,射频功率200W～700W,工质流量0.2mg/s～4.76mg/s,Xe,Ar,O_2,N_2四种工质下能够可靠放电并稳定引出,实现束流从54mA～467mA的调节,电离效率XeArO_2N_2,离子束流随射频功率和工质流量线性增加,在1.01mg/s的氙工质下,推力、比冲随射频功率从100W～400W线性增加实现推力7.35mN～27.5mN,比冲1191s～3696s大范围连续可调,工质利用率为21.1%～78.8%,并在射频功率为276W时工质利用率和功耗之间存在明显拐点,在应用中要根据任务选择最佳工作区间,合理控制工作参数可以提高推力器工作性能和效率。     

毛细管脉冲等离子体推力器等离子羽流分团现象与等效速度测量

毛细管型脉冲等离子体推力器采用固态工质，电热加速机制，结构简单可靠，是一种具有应用价值的微纳卫星低功率电推进系统。本文建立电学和光学联合诊断系统，对毛细管脉冲等离子体推力器等离子体羽流演变过程进行了研究。由于放电电流振荡，推力器等离子体羽流存在二次建立过程。初始阶段等离子体羽流中主要包含带电粒子组分，二次建立阶段等离子体羽流主要包含中性成分。利用光电二极管阵列和窄带滤光片建立了飞行时间法，获得了不同放电电压、腔体内径和腔体长度下等离子体羽流分团的等效速度演变特性。结果表明，电热加速机制能够使带电组分和中性成分获得较为良好的加速效果（>10km/s）。在一定放电能量下，放电腔体长度小于25mm有利于获得较优性能参数。等离子体羽流等效速度结果能够较为准确地反映推力器输出比冲和效率参数变化规律，可作为推力器输出参数便捷有效的评估手段。     

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。     

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。     

氪气工质霍尔推力器束聚焦特性研究

以研究氪气替代氙气作为霍尔推力器工质时,等离子体束发散程度大等束聚焦特性问题为目的,通过以霍尔推力器磁场参数、放电电压和阳极工质流量分别作为单一变量进行实验研究,考察其对推力器等离子体束聚焦影响情况。使用HET-P70霍尔推力器进行相关实验,通过改变磁场参数来研究磁场位形对氪气工质推力器性能的影响,最终发现合适磁场位形形成的磁聚焦状态,即实验一中的工况3,可以使羽流发散角达到11.5°,此时推力器放电电压在400V,阳极工质流量3mg/s。另外,通过实验二和实验三,考察阳极工质流量和放电电压对氪等离子体束聚焦的影响机理,发现两个放电参数的变化主要改变了中性气体主电离区位置,进而影响等离子体束聚焦状态。电离位置在设定工况下外移9%,会使得羽流发散半角增大约12°。所以,磁场位形和中性气体的电离位置是影响氪等离子体束聚焦的重要因素,在对氪气霍尔推力器进行设计优化时应予重点考虑。     

射频自偏压效应离子推力器束流特性实验研究

为了获得不同推力器工况对射频自偏压效应离子推力器的自偏压幅值和束流特性的影响，本文通过地面实验研究了栅极射频功率、线圈放电功率、工质种类对自偏压幅值和羽流区等离子体参数的影响，同时对直流栅极工况和射频栅极工况下的束流特性进行了对比。研究结果表明：栅极射频功率的增大会提高自偏压幅值并提升束流强度，但在较高栅极射频功率下，栅极下游区域将发生自持放电并形成等离子体；放电腔内放电模式转换会通过改变等离子体阻抗的方式大幅影响栅极直流自偏压幅值和栅极电压的射频分量，进而影响羽流区等离子体参数；与直流栅极工况相比，射频栅极能同时引出并加速离子和电子，并在栅极下游实现自中和，且在Ar,Kr,Xe三种工质下均具有自中和能力。     

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。     

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。     

基于小孔投影面积的平面栅极间距测量方法

栅极间距是影响推力器离子束流的发散角、推力大小的关键参数,为了解决栅极组件在装配过程中栅极间距自动检测的技术难题,针对栅极孔径的特殊结构和光线传播的特性,建立了栅极间距和小孔面积的数学模型,提出了基于机器视觉的非接触式平面栅极间距检测方法并搭建试验平台。选取栅极中心孔位进行35次重复试验,该方法的标准差为12μm,具有较高的重复精度。精度验证试验结果表明,该系统精度高于±20μm,满足离子推力器装配过程中的栅极间距测量要求,在实际应用中有望替代现有人工检测方法。     

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...     

激光功率和工质对连续激光推力器性能影响的数值模拟

对连续激光维持的等离子体加热推力器内流场建立一种计算模型,考虑的物理机制包括化学反应、高温气体性质、激光吸收、黏性、扩散、热传导以及辐射效应,模型方程形式为可压缩轴对称Navier-Stokes方程,对方程采用SIM-PLEC算法求解.在吸收室压强、聚焦光束形状参数及喷管构型相同的条件下,模拟了氩为工质的推力器比冲随激...     

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.      

小口径电热化学超高速发射实验研究

在小口径发射装置上进行了以液体发射药为化学工质的电热化学发射实验研究,采用不同的装药结构及装药量改进内弹道性能, 可使弹丸获得超高速。对电能释放与化学能释放过程的合理匹配表明, 等离子体能够增强液体药的燃烧并影响压力变化曲线。通过等离子体射流与液体药装填方式的控制, 如采用环状装药结构, 可以增进等离子体与发射药的相互作用, 提高内弹道性能     

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。     

高速旋转固体发动机低燃速推进剂燃速性能的研究

本文研究了推进剂的降速剂种类及其含量、氧化剂粒度和粒度分布,以及发动机的旋转对低燃速固体推进剂燃速性能的影响.并研究了采用新型药条包覆剂提高推进剂燃速测试精度的方法.在此基础上,研制出稳定的低燃速复合固体推进剂.它具有高的燃速精度,较低的压强指数.文章还指出了发动机的高速旋转(2400r/min)对推进剂的燃速性能和比冲的影响.     

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.     

Dust Phenomena Relating to Airless Bodies

Airless bodies are directly exposed to ambient plasma and meteoroid fluxes, making them characteristically different from bodies whose dense atmospheres protect their surfaces from such fluxes. Direct exposure to plasma and meteoroids has important consequences for the formation and evolution of planetary surfaces, including altering chemical makeup and optical properties, generating neutral gas and/or dust exospheres, and leading to the generation of circumplanetary and interplanetary dust grain populations. In the past two decades, there have been many advancements in our understanding of airless bodies and their interaction with various dust populations. In this paper, we describe relevant dust phenomena on the surface and in the vicinity of airless bodies over a broad range of scale sizes from \(\sim10^{-3}~\mbox{km}\) to \(\sim10^{3}~\mbox{km}\), with a focus on recent developments in this field.     

ISEE Ion Composition Data with Implications for Solar Wind Entry into Earth's Magnetotail

Energetic (0.1-16 keV/e) ion data from a plasma composition experiment on the ISEE-1 spacecraft show that Earth's plasma sheet (inside of 23 RE) always has a large population of H+ and He++ ions, the two principal ionic components of the solar wind. This population is the largest, in terms of both number density and spatial thickness, during extended periods of northward interplanetary magnetic field (IMF) and is then also the most "solar wind-like" in the sense that the He++/H+ density ratio is at its peak (about 3% on average in 1978 and 79) and the H+ and He++ have mean (thermal) energies that are in the ratio of about 1:4 and barely exceed the typical bulk flow energy in the solar wind. During geomagnetically active times, associated with southward turnings of the IMF, the H+ and He++ are heated in the central plasma sheet, and reduced in density. Even when the IMF is southward, these ions can be found with lower solar wind-like energies closer to the tail lobes, at least during plasma sheet thinning in the early phase of substorms, when they are often seen to flow tailward, approximately along the magnetic field, at a slow to moderate speed (of order 100 km s-1 or less). These tailward flows, combined with the large density and generally solar wind-like energies of plasma sheet H+ and He++ ions during times of northward IMF, are interpreted to mean that the solar wind enters along the tail flanks, in a region between the lobes and the central plasma sheet, propelled inward by ExB drift associated with the electric fringe field of the low latitude magnetopause boundary layer (LLBL). In order to complete this scenario, it is argued that the rapid (of order 1000 km s-1) earthward ion flows (mostly H+ ions), also along the magnetic field, that are more typically the precursors of plasma sheet "recovery" during substorm expansion, are not proof of solar wind entry in the distant tail, but may instead be a time-of-flight effect associated with plasma sheet redistribution in a dipolarizing magnetic field.     

双基系推进剂平台燃速的控制因素和可使用范围

根据正催化理论,提出了压力-燃速临界使用曲线(Pr线)的概念及定义,并以之作为燃速可调与不可调的分界线。通过分析1962N.s/kg双基推进剂,30%,50%RDX-CMDB,5%Al-CMDB和低燃速SYQu推进剂的特征Pr线变化趋势,研究了Pr线调节规律。结果表明:Pr线主要由NC和NG组成的粘合剂体系控制,且随双基组分的增加,Pr线向高燃速移动;加入Al粉Pr线升高;随着RDX增加,Pr线先降低再升高;加入降速剂聚甲醛等,Pr线降低。