同轴微阴极电弧推力器的粒子网格法数值模拟

采用粒子网格方法对同轴微阴极电弧推力器μCAT工作过程进行了模拟研究, 并应用自相似方法对模型进行简化,获得了推力器羽流区的电子数密度分布、离子数密度分布、电势分布及离子轴向平均速度,通过改变磁感应强度和位形分析磁场对推力器内等离子体运动特性及推力器性能的影响。计算结果表明,电子被外加磁场捕获约束在磁力线附近,低速离子与高速电子形成的双极扩散电场加速离子喷出;在相同流量情况下,磁感应强度002T时,离子返流严重,磁感应强度005~030T时,磁感应强度变化对速度影响较小;磁场位形对离子运动和推力器性能有较大影响,磁力线与轴线夹角较小时离子速度下降明显,夹角较大时离子返流严重。     

微阴极电弧推力器研究进展

介绍一种适用于微纳卫星的新型微电推进方式——微阴极电弧推力器,其利用真空条件下放电电弧烧蚀阴极材料产生较高电离度的高速等离子体喷出产生推力,并利用外加磁场聚焦等离子体以减小羽流扩散角、提高比冲。总结了国外相关机构大量的研究工作,并实现了在轨验证。北京控制工程研究所及其研究团队已攻克了阴极工质均匀烧蚀、低电压放电击穿、磁场设计等关键技术,完成原理样机点火验证工作,并采用实验手段研究磁场对推力器影响;采用PIC/MCC方法开展数值仿真,获得推力器内部及羽流区相关参数分布,对其工作过程及工作机理开展研究,为工程应用奠定了基础。     

立方体式考夫曼离子推力器极靴结构设计

考夫曼离子推力器因具有高比冲、高效率、长寿命等特点,是应用于航天器电推进类型之一。过去研究主要集中在轴对称柱状结构考夫曼离子推力器,然而对于未来模块化立方体卫星,立方体构型推力器非常适合多推力器的组合、多推力器羽流集中中和,结构紧密并且减少航天器附件。为此,基于自主设计的立方体式考夫曼离子推力器,采用三维数值仿真方法对推力器放电室进行了计算分析,获取了不同阴极极靴内径下推力器放电室磁场分布,对比研究了不同极靴构型下放电室电子密度分布和电子温度分布。结果发现,增大阴极极靴内径使得磁场分布均匀性变差,放电室内壁电子温度升高,电子损耗增大,放电室出口离子密度降低。因此,对于本立方体考夫曼离子推力器,长宽高为15mm×12.5mm×15mm的阴极极靴构型最佳,既可保持较低的壁面电子温度,又有利推力器出口的离子均匀性。     

自身场磁等离子体推力器数值仿真流场特性分析

磁等离子体推力器以其推力大、比冲高等特点,成为未来深空探测、星际航行任务首选的电推力器类型,研究推力器内部等离子体流场特性,有利于解释推力器出现的物理现象。针对特定自身场磁等离子体推力器,建立磁流体模型,使用TVD Lax-Friedrich格式以及ADI方法对推力器内部及羽流进行数值求解,得到等离子体流场及等离子体参数分布情况,仿真结果显示在高电流工况下,等离子体羽流更加集中,轴向加速效果更加显著,但高电流模式下阴极温度较高,不利于阴极的使用寿命。     

霍尔推力器在轨羽流图像诊断方法

为便于霍尔推力器羽流在轨诊断测量,文章提出了一种基于光谱诊断衍生出来的图像诊断方法。首先对推力器羽流进行光学图像采集,然后提取出能够反映羽流不同谱段光强信息的红绿蓝三通道数据;同时结合相机成像原理分析,得到不同通道的像素点灰度值与羽流光谱强度的对应关系;并且基于光谱碰撞辐射模型,建立了羽流图像计算模型。研究结果表明,利用图像诊断方法计算得到的羽流区电子温度和离子密度分布规律均与探针试验结果相吻合,计算的相对不确定度分别约为20%和15%,说明了该诊断方法精度适中,具有较高的可靠性,适用于在轨诊断霍尔推力器羽流等离子体参数。     

微阴极电弧推力器磁路设计

微阴极电弧推力器是一种利用真空条件下放电电弧烧蚀阴极材料产生较高电离度的高速等离子体,并在外加磁场作用下喷出以产生推力的微型电推力器。微阴极电弧推力器磁场设计是推力器设计中的重要工作之一,将影响推力器工作稳定性和工作性能。分别采用多匝通电螺线管计算公式、二维和三维数值仿真完成磁路设计,磁感应强度随线圈电流和线圈匝数增加而变大;当线圈电流15A、线圈匝数为600匝时,放电通道中心线磁感应强度最大值超过0.3T;采用特斯拉计测量磁感应强度,仿真结果与测量结果吻合较好。最后采用时间飞行法（TOF）测得等离子体速度随磁场增强而增加。     

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。     

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。     

霍尔推力器羽流对太阳翼的溅射影响规律

霍尔推力器羽流对太阳翼的溅射作用是影响翼板工作性能、卫星供能稳定性的重要因素。为深入研究霍尔推力器羽流在不同布置工况下对太阳翼的溅射影响规律,采用单元粒子/直接蒙特卡洛碰撞模型（PIC/DSMC）求解羽流等离子体的输运过程,其中对离子的扩散作用采用基于菲克定律的求解模型,并以Yamamura溅射模型来求解等离子体对太阳翼表面的溅射产额。为验证修正扩散模型后的算法精度,在真空舱内开展羽流诊断试验,以试验与计算结果的对比来修正扩散经验参数以及验证计算精度。试验结果表明,在扩散系数kd=126×10-36N·m4时,该模型计算误差在87%左右。在此基础上,对不同的推力器方位角、推力器与翼板距离工况,开展羽流对太阳翼的溅射产额计算。计算结果给出太阳翼表面溅射分布随方位角、距离增加的依变规律,并进行了相关透光率影响程度的讨论,可对推力器的星上布置提供参考依据。     

螺旋波电推进羽流电磁矢量控制的原理性验证

推进器羽流的电磁矢量控制是基于电磁位形的改变使得喷射的羽流改变方向。为了原理性验证电推进羽流电磁矢量控制技术，针对螺旋波电推进器，开展了磁场位形调制仿真设计和试验验证。说明了电磁矢量调制线圈能够改变磁场位型，并且在试验过程中验证了等离子体羽流随磁场位型变化而产生的羽流方向偏转。在周期性磁场调制过程中，验证了等离子体密度参数随之周期性涨落。螺旋波电推进羽流方向最大偏转角度60°，可控偏转频率15Hz，说明了电推进羽流电磁矢量控制的可行性。     

稳态等离子体推进器羽流场数值模拟

采用二维轴对称模型,使用粒子网格法(PIC)和直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)相结合的方法,对稳态等离子体推进器(SPT)羽流场进行了数值模拟.采用DSMC方法中的随机取样频率法(RSF)求解粒子碰撞过程,并对比了不同的分配电荷方式、电子运动模型及SPT出口条件时的羽流场.将不同条件计算得到的羽流场中距SPT出口0.1?m,0.5?m及1.0?m处的离子电流密度和电荷密度与实验结果进行了对比,得出在采用面积权重法分配电荷、等熵模型描述电子运动和用实验值设定发动机出口参数时对SPT羽流场数值模拟的电流密度和轴向附近的电荷密度结果与实验结果符合程度较好的结论.     

8cm汞离子推进器样机用小孔空心阴极设计

对小孔空心阴极内部放电物理过程作了描述。根据8cm 汞离子推进器与阴极相关的设计参数,计算了阴极内部压强、粒子密度、初始电子能量平均交换自由程等参量,因而设计出阴极发射体、阴极顶小孔等主要尺寸。复核了阴极发射电流。对阴极热平衡、加热器工作参量作了计算,并与实验结果进行了比较。根据阴极在推进器中工作方式,对阴极结构设计进行了描述,包括材料选择和等离子体喷涂工艺制造。给出了长期阴极热模拟实验结果。     

微阴极电弧推力器放电寿命特性研究

微阴极电弧推力器（micro cathode arc thruster，μCAT)在微纳卫星空间任务中有良好的应用前景，但寿命问题是目前制约其发展的重要因素。研制了自动数据采集系统，进行了不同放电频率下全寿命试验，观察分析了失效后阴极材料及导电薄膜的形貌变化。研究结果表明：推力器工作初期，放电特性为不稳定阶段，该阶段在μCAT的全寿命占比小于10%。薄膜电阻放电前期相对稳定，为百欧量级，在临近失效时迅速升高至千欧量级，峰值电流在临近失效时急剧下降直至失效。放电频率升高会使阴极坑区域热量累积，增强了导电薄膜破碎程度，导致推力器提前失效，寿命降低。电弧烧蚀位置分布不均匀，导致阴极利用率降低，是制约μCAT寿命的重要因素。     

微阴极真空电弧点火起弧及加速机理研究综述

微阴极真空电弧推力器具有结构简单、重量轻、功耗低、比冲高等优点，因而在航天推进领域有着广阔应用前景.当前推力器设计研制、可靠性和寿命的提高等方面遇到的一些关键问题均与微阴极真空电弧放电过程的基本物理问题密切相关.对微阴极电弧推力器运行中涉及的电子发射、电极间起弧过程、阴极斑点形成及特点、烧蚀和形貌变化、电极间等离子体射流加速过程进行了梳理，相关认识可以为今后进一步开展微阴极电弧推力器的设计优化、性能提高奠定基础.     

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。