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。     

发散磁场中等离子体加速和推进性能数值研究

稳态螺旋波等离子体推力器中，源室放电获得的一定能量的等离子体经过磁喷管加速产生预定的推力和比冲。为了分析在发散磁场约束下，等离子体的运动受约束磁场和内能变化的影响规律及其推进性能，引入了考虑电子和离子不同响应的二维轴对称数值模型。计算了入口中心磁感应强度[B0]为100～500G、电子温度[Te0]为3.0～10.0eV时等离子体的运动。结果表明，入口等离子体的内能增加，[B0]保持100G不变时，其最终膨胀的绝对速度增加，比冲从400s提高到约为580s；内能变化对比冲[Isp]的影响大于磁感应强度。不考虑等离子体与磁场相互作用情况下，文中计算的磁场范围可以最大限度地将内能转化为等离子体的轴向定向动能；为了提高[Isp]，应适当增加电离段等离子体获得的能量，且可以适当降低对产生约束磁场的电流线圈输入能量要求。     

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。     

微推力ECR离子推力器等离子体源电子获能计算分析

为满足小型航天器的微推进需求,开展了微推力电子回旋共振(ECR)离子推力器的计算研究。实现该推力器的关键是ECR等离子体源合理的磁场和电场分布数值计算,从而使电子在穿过ECR谐振区时能够获得最大能量。为此以双环形永磁材料结构作为磁路,分别以直线形、环形和盘形微波耦合天线产生微波电磁场,同时改变等离子体源特征长度,利用有限元软件计算并分析ECR等离子体源内磁场和微波电场的分布规律以及电子在ECR区的获能规律。结果以微波输入功率5W、频率4.2GHz为例,发现环形耦合天线与较短等离子体源特征长度的结构组合可使电子在ECR区的获能指标达到最大且分布最佳。     

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。      

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。     

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。     

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。     

磁路温度对霍尔推力器放电热稳定性的影响

为研究磁路高温性质变化对霍尔推力器放电热失稳的贡献及影响机理,对不同磁路温度下推力器的工作磁场强度开展了实验测量,对磁路温度变化与通道内等离子体放电行为变化的交互影响开展了Particle-in-Cell数值模拟研究。实验结果表明,当磁路温度由室温升高到600℃时,推力器的工作磁场强度发生了衰减,尽管衰减量不大(约5%)。模拟结果表明,磁路高温引起的场强衰减改变了推力器放电时的电导率及电势分布,进而对电子能量各向分布、粒子密度分布等造成了影响,促进了电子在壁面的通量及能量损失,主导了壁面等离子体沉积功率的增加,从而进一步加剧了磁路温度的增长。这是一个具有正反馈性质的过程;因此,若不能通过外部手段有效控制磁路温度,将诱发霍尔推力器的放电热失稳。     

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。     

单线圈小功率SPT设计及实验

为了研究小功率SPT（稳态等离子推力器）内部的磁场分布和性能特性,应用参数化方法研制了单线圈小功率SPT。利用简化模型计算了磁场分布,并与实验进行对比,对其整体性能特性进行了实验研究。磁场测量结果和计算结果基本吻合,说明简化计算模型的可行性;实验中SPT能够顺利点火,性能测试结果达到了设计要求,结果表明,SPT可稳定工作在100～450W;当出口最大磁感应强度为300Gs,梯度为300Gs/cm时,SPT效率较高。     

稳态等离子体推力器低功率工作模式实验研究

稳态等离子体动力器（SPT）是技术性能和空间适应性良好的电推力器,是小卫星空间动力的理想选择。从实验的角度研究了额定功率为660W的SPT在低于其额定功率下运行,推力器的放电特性、推车特性、推力效率、比冲等性能随推力器工作参数的变化。实验结果表明：660W的SPT推力器在低于其额定功率下工作,具有稳定的放电特性和确定的推力性能,可以将较大尺寸的SPT推力器在低功率模式下运行来替代小尺寸SPT推力器的作用。     

Direct drive options for electric propulsion systems

Power processing units (PPUs) in an electric propulsion system provide many challenging integration issues. The PPU must provide power to the electric thruster while maintaining compatibility with all of the spacecraft power and data systems. Inefficiencies in the power processor produce heat, which must be radiated to the environment in order to ensure reliable operation. Although PPU efficiencies are generally greater than 0.9, heat loads are often substantial. This heat must be rejected by thermal control systems which generally have specific masses of 15-30 kg/kW. PPUs also represent a large fraction of the electric propulsion system dry mass. Simplification or elimination of power processing in a propulsion system would reduce the electric propulsion system specific mass and improve the overall reliability and performance. A direct drive system would eliminate all or some of the power supplies required to operate a thruster by directly connecting the various thruster loads to the solar array. The development of concentrator solar arrays has enabled power bus voltages in excess of 300 V which is high enough for direct drive applications for Hall thrusters such as the Stationary Plasma Thruster (SPT). The option of solar array direct drive for SPTs is explored to provide a comparison between conventional and direct drive system mass     

霍尔推力器内部等离子体流场数值分析

建立以宏观电中性、不同种类粒子间滑移流动为基本假设的一维多流体简化模型，构造了相应的数值计算方法，用于分析霍尔推力器(亦称稳态等离子体推力器，简称SPT)的加速器通道内部物理过程。在适当边界条件以及适当模型常数条件下，能够获得无论在定性还是定量上都与实际比较接近的收敛的稳态解。结果显示，电势降落集中在出口附近，离子加速过程与该电势降落一致；在通道前半段电离比较剧烈，而在出口附近趋于平缓，出口电离度接近80％；由于焦耳加热作用，电子从出口截面向阳极漂移过程中，其温度由初始的约10eV首先提升到接近60eV的峰值，该峰值出现在离出口约1／3通道长度位置上；随后，由于越来越多的能量损耗于电离过程，到阳极附近电子温度降至约25eV。受其中的一些假设所限，本模型不能反映一些特殊区域和某些比较重要的物理过程，同时能够收敛的条件也受到了限制。     

小型微波等离子推力器研究

 介绍约100W 功率微波等离子推力器的系统结构, 谐振模式, 电磁场分布, 电磁场、等离子体和流场的耦合, 喷管中的等离子体复合流动, 真空羽流, 原理实验样机性能及应用前景。     

微波等离子推力器谐振腔的低信号调试

微波等离子推力器（MPT）谐振腔只有在谐振状态下，微波能量才能被高效地用于加热工质产生推力。利用标量网络分析仪，采用微波无源器件回波损耗的测试方法对MPT谐振腔进行了精确地调谐，分析微波能量的吸收效率及谐振频率带宽，研究腔体的尺寸，微波耦合探针位置以及腔内的隔板材料等在同一谐振频率条件下的匹配性。调试结果可为腔体设计与提高系统效率提供参考。     

微波电热推力器钝头体方案的性能计算

进行了微波电热推力器（ＭＥＴ）钝头体方案的性能计算,对微波作了谐振模式ＴＭ０１１和波导模式ＴＭ０１两种选择。将计入电磁场作用的轴对称钝头体粘性流动方程,结合ＴＭ０１１或ＴＭ０１模式,与等离体区耦合求解,获得了ＴＥＴ比冲和推力等性能,结果与文献的实验及计算结果趋向一致。     

脉冲等离子体推力器推进剂烧蚀传热计算

运用磁流体动力学的方法,建立脉冲等离子体推力器工作过程模型,展开三维仿真研究,对推进剂的烧蚀传热过程进行分析。通过该模型计算得到的推进剂烧蚀质量和元冲量能够反映出实验结果的大体趋势,同时针对不同电容以及两种不同推力室构型的情况进行了评估。结果显示,推进剂的温度变化波形反映着放电波形的变化波形,影响着推力室等离子体的流动,良好的推进剂表面温度分布更有助于推进剂的喷射过程。     

磁阻型电磁发射系统的发射体形态优化研究

根据磁阻型电磁发射原理及驱动线圈内部磁场分布情况,推导了基于线性化电感的发射体运动模型,给出了一个用于计算发射体在线圈中的受力和加速情况的简化方法,并归纳了部分影响因素。使用ANSYS Maxwell仿真软件对不同形状发射体在线圈中的受力变化进行仿真分析。研究结果为实际磁阻型电磁发射中应用的发射体形状设计提供了参考。     

同轴形微波等离子推力器数值计算

介绍了100W功率同轴形微波等离子推力器(MPT)的系统结构、谐振模式,采用耦合求解Maxwell方程、Saha方程和Navier-Stokes方程的方法,对100W同轴形MPT振腔内的电磁场、等离子体与流场间的耦合问题进行了数值计算并预估了原理实验样机的性能。计算结果表明,100W同轴形MPT结构系统的原理可行,性能较好,有较好的发展前景。