LIPS-300离子推力器环形会切磁场等效磁路分析研究

针对多种工作模式下推力器放电室磁路设计的复杂性问题,为实现电磁体磁场向永磁体磁场的磁路转换,利用磁路等效法,建立离子推力器磁路系统的等效磁路模型。在此基础上,结合有限元理论,分析获得产生与电磁体磁场的磁路构型相同的永磁体结构尺寸,将离子推力器放电室在永磁体磁场状态与电磁体磁场状态下的磁感应强度进行对比。结果表明:磁路转换后关键点磁感应强度相对误差低于5%,且永磁体样机工作放电损耗为141.8W/A,阳极震荡电压为10V,符合磁路转换要求和磁场设计目标,验证了等效磁路模型分析结果的正确性及方法的可行性。     

磁路对30cm离子推力器性能影响研究

为了研究磁路结构对与新型GEO平台配套的30cm离子推力器(LIPS-300)性能的影响,采用PIC-MCC数值模拟方法对LIPS-300在其典型工作点下的放电损耗和束流平直度进行了研究,其中输入磁场采用有限元软件Maxwell计算得到,另外还利用Maxwell研究了磁体尺寸对侧壁磁环对产生的磁场等值线的影响。结果表明在LIPS-300的典型工作点下,4极场推力器比3极场推力器放电损耗高3%,分别是164W/A和160W/A,束流平直度高30%,分别为0.65和0.50。利用较厚较窄的磁环能够获得更大的无场区体积。因此,采用4极场将获得更好的推力器性能,采用较大厚度/宽度比的磁体有利于推力器束流平直度的改进。     

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。     

星载永磁霍尔推力器磁场分析与实验研究

磁场是评价星载霍尔推力器性能水平及工作特性的重要因素,也是开展推力器优化设计的重要自由度。针对航天器姿态调整等空间轨道任务对霍尔推力器应用需求,分析了影响永磁霍尔推力器磁感应强度的关键因素。在此基础上,利用磁路等效法,采用有限元离散形式,建立了基于永磁材料的霍尔推力器磁场模型,利用国外同类产品工程数据验证了磁场模型分析方法的可行性和计算结果的正确性,最终获得了设计所需的推力器磁路构型、永磁体结构尺寸及相应的永磁霍尔推力器样机。将永磁霍尔推力器磁场分析结果与实测结果进行对比,并对整机性能进行了实验验证,结果表明:推力器性能实验结果与设计要求相符性较好,额定供气、供电状态下,推力器阳极电流符合设计要求,整机推力达到3.52mN,比冲达到685s,较好地实现了永磁霍尔推力器设计目标。     

10cm离子推力器放电室性能优化研究

要实现离子推力器较高的效率和比冲等综合性能指标,优化的放电室性能是其首要的前提条件。为了获得10cm离子推力器优化的放电室性能,在放电室初始设计方案基础上,通过对工作参数和结构参数的不同组合试验,开展了性能优化研究,采用的主要手段是关键特征尺寸调节、流率调节和磁场参数的调节。试验获得了不同参数组合的性能变化趋势,得出了优化的放电室结构参数和工作参数。优化后的离子推力器综合性能试验结果表明,在推力15.6m N、比冲3100s的设计工况下放电损耗约为227W/A,放电室工质利用率为91%。     

离子推力器栅极极限寿命优化

离子推力器的极限寿命最终取决于栅极的极限寿命。针对LIPS-200离子推力器延长寿命到20000h以上的工程应用需求,在分析离子推力器极限寿命所对应关键失效模式及磨损机理的基础上,基于加速电压能够有效调节关键失效模式发展进程的工作机制,提出了具有普适性的离子推力器栅极极限寿命优化的恒定加速电压方法和步进调节加速电压方法。结合LIPS-200离子推力器寿命试验的过程及最终结果数据,在完全继承推力器现有技术状态和成熟度的前提下,采用恒定加速电压方法可以将推力器的极限寿命从现有的14649h提高到17300h,采用步进调节加速电压方法可以将推力器极限寿命提高到20400h,从而实现LIPS-200延长寿命目标。     

P70霍尔推力器新型缓冲腔磁路对预电离及放电的影响

为有效利用从P70霍尔推力器放电通道进入缓冲腔的快电子能量,考虑两个磁场特征以提高缓冲腔预电离率。一是提高磁感应强度,二是缓冲腔内从气体分配器到放电通道方向的负梯度。采用FEMM有限元磁场计算软件,在不改变推力器电离和加速通道内优化磁场特征的前提下,设计的新型缓冲腔磁路满足上述磁场特征。放电实验结果表明,在新型缓冲腔磁路下放电电流低频振荡幅值更小。新型磁路有助于延长推力器寿命,有助于电离和加速通道内电离与加速区的分离。     

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。     

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。     

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.      

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。     

自励模式霍尔推力器设计

为实现P70霍尔推力器自励模式稳定放电运行,分别设计了满足自励模式放电要求的磁路和电路。其磁路设计是基于霍尔推力器他励运行模式最优放电性能参数和磁势不变原理,采用FEMM有限元磁场计算软件建模,将推力器内铁心半径由7 mm减至4 mm,可得到满足自励模式运行要求的优化磁场。针对电磁线圈串入主放电回路不同位置对放电的影响,考虑电磁线圈绝缘要求,提出将电磁线圈串入放电电源负极性端,整体电路设计可使放电可靠。性能对比实验表明,自励模式与他励模式性能接近,在放电电压为420V时,自励模式最高效率达到61%。自励模式实验获得了稳定放电,且放电电流低频振荡幅值很小。     

离子推力器多模式化研究

为了实现离子推力器多模式化,分析了离子推力器功率宽范围调节限制因素,提出了两种宽范围调节策略;针对我国小行星探测任务,完成了30cm多模式离子推力器研制、功率宽范围调节限制条件确定、以及两种调节策略下多模式工作点设计及对比研究。结果显示,通过降低放电室磁场强度可延伸离子推力器最小稳定工作功率,提高束流均匀性,实现离子推力器更宽功率范围多工作点设计;功率宽范围调节主要是屏栅电压和束电流的宽范围调节,二者通过栅极导流系数限制和交叉限制而约束;推力随功率增加呈线性增加关系,比冲随功率的增加总体上呈先快速增加后趋于稳定的趋势;30cm多模式离子推力器在0.25kW～5kW内稳定工作,推力10mN～186mN,比冲1522s～3586s。     

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。     

稳态等离子体推力器磁场设计与数值分析

首先分析了稳态等离子体推力器性能对磁场的要求，据此介绍了磁路系统的工程设计原则和方法；然后，采用ANSYS大型有限元分析软件对一个具体的稳态等离子体推力器在额定工况下的磁场进行了计算，获得了满意的结果，通过对结果的分析获得了对有关现象的直观深入的认识，为所计算具体推力器的改进设计提供了线索；同时，也证实了以ANSYS为软件平台的稳态等离子体推力器磁路系统计算机数值仿真辅助设计的可行性和有效性。     

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。