等离子体密度对栅极系统束流影响分析

针对现有离子推力器栅极系统束流引出分析中未考虑放电室等离子体密度均匀性影响的不足,基于数值方法对该问题进行了研究。采用单元内粒子 （Particle In Cell,PIC） 方法对栅极系统束流引出进行了数值模拟。PIC方法中电场求解采用有限差分方法,离子加速方法采用跳蛙格式。以国产20cm Xe离子推力器作为算例,计算得到了栅极中心和边缘孔引出束流离子和电场的分布。结果显示栅极中心孔相对边缘孔束流聚焦性好,束流发散角小,但中心孔轴线的鞍点电势较边缘孔高24.8V。因此,放电室等离子体密度分布对束流引出具有重要影响,电子返流现象最先出现在栅极中心位置。     

10 cm口径发散磁场离子推力器放电模型

为研究10 cm口径发散磁场离子推力器内部的放电过程并对后续工程改进提供参考，采用COMSOL多物理场耦合软件建立推力器放电模型，获得关键放电参数，并根据试验结果进行验证。模拟结果表明：放电室内部上游磁极和下游磁极之间形成具有强烈发散特性的磁场，并在正交电场的影响下，使电子发生以磁力线为导向中心的霍尔漂移运动；放电室内部气体压强分布均匀且基本在0.1～0.11 Pa范围内，大部分区域的中性原子密度约为1.5×10¹⁹ m^-3，流体速度在0.2～0.9 m/s的范围内且呈现明显的黏滞流特性；电子密度峰值出现在阴极出口区域，约为8.57×10¹⁸ m^-3，阳极壁面附近及栅极上游区域的等离子密度约为6.8×10¹⁷ m^-3。试验结果显示：采用E×B探针测量得到双核离子占总束流离子比为14.1%，根据COMSOL计算值得到的0.353 mA束流理论值与0.323 mA的束流实测值比对误差为9%，误差主要来自于仿真条件设置及试验测量。研究结果可为离子推力器工程化改进...     

基于放电室均布模型的射频离子推力器研究

为了研究工作参数和结构参数对射频离子推力器放电性能的影响规律，通过开展放电室均布模型数值仿真和推力器性能试验，研究了射频离子推力器LRIT 40的放电机理和放电性能随结构参数和工作参数的变化规律。研究发现，减小长径比或增大工质流率、栅极电压及射频功率均能增大推力器束电流，改善推力器性能。通过分析试验结果和仿真结果得到，放电室均布模型可用于研究射频离子推力器的性能。     

放电电压和屏栅电压对离子推力器性能的影响

利用试验和数值模拟相结合的方法研究6 cm Kaufman离子推力器放电电压和屏栅电压的变化对其工作性能的影响。试验中,离子推力器使用氩气作为推进剂,测量了多组不同工况下的性能参数。此外,基于Goebel的理论模型模拟了放电电压对束流电流和推进剂利用率的影响;采用单元内粒子 蒙特卡罗碰撞（PIC-MCC方法模拟屏栅电压对束流电流、推进剂利用率和加速栅极电流的影响。试验和数值模拟结果一致,发现当放电电压逐渐增大时,引出的束流电流和推进剂利用率先增加然后趋于稳定;当屏栅电压逐渐增大时,引出的束流电流和推进剂利用率先增加然后趋于稳定,加速栅极电流先减小后趋于稳定。研究可以为提高多模式离子推力器的性能提供参考。     

LIPS300离子推力器加速栅电压的优化设计

在不改变推力器几何结构的前提下,为了获得LIPS300离子推力器的最佳加速栅电压,采用半经验分析和数值仿真计算相结合的方法分析了加速栅电压分别为-180V、-190V、-200V、-210V和-220V时LIPS300离子推力器栅极组件引出束流过程中束流离子从非平衡态到平衡态的演化过程,通过数值模拟计算得到了推力器运行过程中交换电荷离子轰击溅射到加速栅壁面的产额,利用寿命预测的半经验计算方法对5种情况下LIPS300离子推力器的栅极寿命进行估计,分析了关键失效模式,通过对比获得了LIPS300离子推力器的最佳加速栅电压。计算结果显示,在现有几何结构下加速栅电压的变化不会影响栅极组件的引出性能;加速栅下游更易受到交换电荷离子的轰击溅射;加速栅电压从-180V变化至-220V过程中,影响栅极寿命的关键失效模式为电子反流失效;对比5种情况下发生电子反流和结构失效时对应的栅极寿命可以发现,LIPS300离子推力器加速栅电压最佳值应为-220V,此时对应的栅极寿命为16170.4h。     

电喷雾推力器结构参数与束流引出效率分析

为了改善电喷雾推力器性能，提高束流引出效率，使用COMSOL软件对电喷雾推力器不同结构参数下的电场分布与发射粒子轨迹进行了仿真，结果表明在引出电压一定的情况下，发射极尖端场强受发射极结构参数影响明显，随发射极棱条宽度及棱条间距的增大而增大；引出栅极结构对束流引出效率影响显著，扩张孔结构的引出效率优于直孔结构，引出栅孔的宽度增大也有利于引出效率的提高；两极间距对引出效率也有较大影响，减小两极间距有利于提高引出效率；横向装配误差会明显影响发射粒子的运动轨迹，但对引出效率的影响不大.     

VASIMR中螺旋波等离子体源设计

螺旋波等离子体具有密度高,可控性强且无电极等优点,被应用于可变比冲磁等离子体火箭(VASIMR,Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket)中.设计了一个螺旋波等离子体源,并给出了其中2个关键部分——磁场线圈和螺旋波天线的设计.对螺旋波等离子体源进行了初步实验,结果表明,电子密度随射频输入功率的增加几乎呈线性上升,估计电子密度的量级在通入工质后完全可达10¹¹ cm^-3.     

基于PIC方法的离子发动机光学系统粒子模拟

采用单元内粒子(PIC, Particle-In-Cell)方法对离子发动机光学系统进行了等离子体粒子模拟.PIC方法可有效地对等离子体进行粒子模拟,其中电场求解采用SOR(Successive Over Relaxation)方法,离子加速方法采用蛙跳格式.推进剂采用氙,模拟粒子为单核离子.模拟得到了栅极间电势分布、电场强度分布及栅极间氙离子数密度分布.计算结果表明,在所取的光学系统电压参数和几何参数下,粒子束能够顺利通过栅极孔,不会撞击到栅极孔壁上.粒子模拟为今后开展离子发动机光学系统腐蚀机理分析及寿命评估提供了有效的数值方法.      

5 kW环型离子推力器试验研究

针对未来深空探测任务对高功率电推力器的需求,兰州空间技术物理研究所开展了5 k W环型离子推力器的研制。环型离子推力器放电室设计与传统离子推力器有很大不同,面临着放电不稳定、不均匀、放电损耗过大等潜在的技术风险。在原理样机完成设计、制造工作后,开展了试验研究工作,通过性能摸底试验对推力器电气参数变化规律进行研究并找到最佳的工作点,通过等离子体诊断试验对放电室内等离子体密度和电子温度分布情况进行研究。试验结果表明:环型放电室在很宽的放电电流范围内都有很高的稳定性,在单阴极偏置的情况下推力器束流仍然具有较好的均匀性,初步验证了环型离子推力器概念的可行性,为下一步优化设计打下了技术基础。     

溅射靶对离子推力器的热辐射影响研究

为了研究真空环境设备内溅射靶温度升高后对30cm离子推力器的热辐射影响，采用有限元分析的方法，首先对真空舱内的离子推力器羽流分布进行了模拟，在获得羽流对溅射靶造成的温度变化后，进一步分析了溅射靶温度升高对离子推力器温度以及栅极热形变位移所造成的影响。仿真结果显示，推力器羽流可采用定向分子流模型进行描述，羽流在真空舱内的扩散过程中几乎没有能量损失；30cm离子推力器工作时真空舱内大部分区域的气体压强在2×10^-3~6×10^-3 Pa；在溅射靶影响下，推力器加速栅和屏栅中心温度分别为352℃和440℃，边缘温度分别为342℃和411℃，屏栅和加速栅的间距缩小量由无溅射靶影响时的0.560mm增加到0.585mm；试验结果显示，加速栅和屏栅边缘温度分别为364℃和385℃，与仿真结果的比对误差均为6%，溅射靶后部羽流气体的温度测试值高于计算值约50℃，误差主要由于模拟中忽略了羽流粒子的能量沉积效应。     

霍尔推力器分割高偏压电极等离子体放电特性

霍尔推力器通道等离子体与壁面有很强的相互作用,为了降低壁面腐蚀,提高在轨寿命, 针对推力器全通道放电过程建立二维物理模型,采用粒子模拟方法（Particle In Cell）,数值研究了电离区壁面分割高于阳极偏压的低发射石墨电极对推力器放电特性的影响,讨论了放电通道电势、离子数密度、电子温度、电离速率及比冲的变化规律。结果表明：在电离区不同位置分割高偏压电极对等离子体放电特性影响明显,电极位置在电离区前端时,电极偏压高于阳极电压60V时通道内放电等离子体参数几乎不变。而电极位置在电离区末端,电极偏压高于阳极电压18V时就会导致加速区轴向扩张,离子聚焦效果强,电子温度显著升高,电子与壁面相互作用减弱,羽流发散角减小。由此推力器比冲提升约12%,寿命延长,性能提高。     

Sources and losses of ring current ions: An update

The cleft ion fountain has been identified as a prodigious source of upflowing suprathermal ionospheric plasma. Modeling efforts have traced the path of these ions from the polar ionosphere along trajectories where the ions are energized to keV energies and deposited in the near earth plasma sheet. Mass and energy dispersion of these ions accounts in a natural way for the observed variation in heavy ion content of the plasma sheet. Observations of ion composition in the plasma sheet by the AMPTE and ISEE spacecraft establish that ionospheric ions dominate in the near earth plasma sheet but solar wind ions become significant tailward. The heavy ion content of the plasma sheet increases with both solar cycle and magnetic activity. Direct injection of ionospheric ions into the ring current has been observed in the outer plasmasphere. Several mechanisms for the direct injection of ions from the plasmasphere and ionosphere into the ring current have appeared. Estimation of ionospheric source strengths and residence times have led to an estimate of the magnetospheric densities that would result solely from an ionospheric outflow populating the magnetosphere. Estimated densities were quite reasonable even without inclusion of a solar wind source of ions. Ring current ions decay primarily via charge exchange with the hydrogen geocorona, however, the roles of pitch angle diffusion and Coulomb collisions in this decay process are being clarified.

Modeling and observations of ENA by the 1SEE1 spacecraft has led to a re-affirmation of the dominant role of charge exchange in ring current decay. Ion cyclotron waves contribute to ring current decay in the dusk bulge region. The role of low frequency. (< 1 Hz) ion cyclotron waves in the plasmasphere is still unclear. Other wave modes may be responsible for the pitch angle diffusion and subsequent loss of ring current ions. Coulomb collisional energy losses from ring current O⁺ to thermal electrons are sufficient to power SAR arcs and represent an energy sink for ring current O⁺ within the plasmasphere. Coulomb collisions may be important for decay of low energy (< 10 KeV) ring current ions in the plasmasphere.     

离子发动机羽流二维轴对称数值模型与验证

为了解离子发动机羽流特别是交换电荷离子(CEX,Charge-Exchange)的分布和流动特性,建立了离子发动机羽流的物理模型,采用粒子网格(PCI,Particle in Cell)方法对2种型号的离子发动机羽流场进行数值模拟计算,与其地面实验数据进行对比分析.结果表明:在CEX离子密度大小及分布、电势的大小及最大电势梯度的位置、CEX离子流动角方面,模拟结果同实验结果符合得相当好.在电势结构方面,由于舱壁电势的影响,模拟结果同实验结果相比有一些差别.羽流模型和计算结果为相关羽流实验和数值模拟研究提供参考.      

离子发动机羽流空间电位诊断

离子发动机羽流空间电位分布不合理可能会造成一系列问题,以至于影响航天器的正常工作。试验使用发射探针对20 cm氙离子发动机束流区等离子体空间电位进行诊断,测点选取轴向距离发动机出口平面250～900 mm,径向0～450 mm,探针钨丝直径0.1 mm,加热电流1.5～2.5 A。发射探针诊断建立在电子热发射基础上,因其I-V曲线拐点较朗缪尔探针更为明显,所以测量得到的空间电位分布更为准确。国外已经广泛使用发射探针测量等离子体空间电位,发射探针的试验数据处理方法仍存在较大分歧。从发射探针工作时的物理过程着手,分析热电子发射多少对空间电位诊断结果的影响,采用不同的探针I-V曲线处理方法并对各种方法利弊进行讨论,分析偏离真实空间电位的原因,比较得到较为合理的结果,对发射探针的结构改造和加热电流的选取提供依据,为发动机性能的改善和羽流仿真模型提供参考。     

射频离子推力器研究进展

射频离子推力器由于高比冲、长寿命、高效率等优点在电推进领域中占有重要地位.为了进一步缩减推进系统的质量和体积，降低成本，一些新型射频离子推力器相继出现，其中无中和器射频离子推力器备受关注.对传统射频离子推力器的国内外研究及发展现状进行了总结，分析了射频离子推进技术中涉及的关键技术，概述了无中和器射频离子推力器的原理及研究进展，给出了射频离子推力器的发展方向和建议.     

LHT40低功率霍尔推力器放电特性试验

为了获得300W级混合励磁模式低功率霍尔推力器的放电特性，采用一套高精度激光微推力测量装置和集成离子流诊断装置获得推力器不同工况下推力、比冲、效率、束流发散角和质量利用效率的变化特性。试验结果表明，推力器的推力、比冲、阳极效率在200～300V存在一个最大值；放电电流、放电电压呈现无阻尼谐波振荡特性，其一阶频率大约4.05kHz。在恒定电场和磁场下，推力器束流离子电流密度呈现双极扩散的结构；阳极流率增大至0.95mg/s时，离子电流密度呈现典型的双峰结构，质量利用效率与质量流率呈现正相关的特性。