Motion of Microwave Plasma Electrons in the Action of Magnetic Field

对矩形微波谐振腔中的等离子体,在高频电磁场和非均匀稳恒外磁场作用下的电子回旋共振运动进行了讨论.对电子写出了牛顿运动方程,采用数值计算方法,用计算机计算并绘出了电子运动曲线和运动轨迹.对电子的能量也作了计算.从计算结果分析了电子运动的特点和电子的能量吸收.     

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。     

30cm氙离子推力器磁场特性分析与优化设计

放电室磁场设计直接影响放电室的放电稳定性及推力器在轨工作寿命,针对多种工作模式下30cm氙离子推力器磁场设计的复杂性问题,对推力器电磁体磁场向永磁体磁场转换中放电室的磁场特性进行了研究,并对永磁体磁场的关键参数进行优化设计。建立30cm氙离子推力器放电室磁场转换的磁路模型,运用有限元分析理论,利用实际工程数据验证磁路模型计算结果的正确性与方法的可行性。在此基础上,分析获得给定磁路构型下产生要求磁感应强度的永磁体关键尺寸。以放电室工作阳极震荡电压、减速栅极电流、加速栅极电流和磁路系统质量为目标,采用多目标粒子群优化算法,对永磁体的关键参数进行优化,得到30cm氙离子推力器设计性能目标下的磁路构型最优结果。本研究可为高效、稳定工作的离子推力器磁路设计及优化提供方法。     

磁拓扑结构对环型离子推力器放电性能的影响

为得到环型离子推力器最佳磁拓扑结构以有效提高推力器放电效率、降低放电损耗,对不同类型磁拓扑结构下的放电通道气体放电过程进行研究。采用PIC MCC数值计算方法对等离子体产生及运输过程进行数值模拟,分析磁场分布对等离子体密度分布、电子损耗率及放电稳定性的影响,结合统计结果,得到推力器放电性能曲线,最后进行试验验证。研究结果表明,相较多极场结构,环尖场磁构型能更好地约束电子运动,大幅降低其在阳极壁面损耗率,增加电子与中性原子碰撞概率,显著提高放电效率、降低放电损耗。     

磁屏尺寸对霍尔推力器性能影响的仿真研究

磁屏作为霍尔推力器磁路系统的重要组成部分,其尺寸对磁感应强度分布具有重要影响。为探究其中的影响规律,以一台低功率霍尔推力器为研究对象,首先采用Maxwell有限元方法软件对磁屏在不同的轴向和径向尺寸下形成的磁场进行仿真,结果表明一组尺寸使推力器磁场位形达到最优。然后以该尺寸作为设计标准,采用PIC方法对霍尔推力器在阳极电压及气体流量分别为200 V及0.8 mg/s条件下放电通道内等离子参数分布进行仿真。最后根据离子速度和数密度等参数,计算得到推力器的推力、阳极比冲和阳极效率分别约为6.9 mN、880 s及41.89%。该仿真为霍尔推力器的磁场设计提供理论依据,为未来的实验研究提供数值参考。     

基于CFD的10 cm氙离子推力器阳极推进剂供给方式优化

离子推力器阳极推进剂在放电室内的浓度分布及其变化梯度的设计是放电室放电模式可靠性设计的关键技术之一，直接影响到放电室内推进剂的电离效率及放电稳定性。针对航天器在轨多目标飞行任务对10 cm氙离子推力器的应用需求，为提高10 cm氙离子推力器放电室空腔内阳极推进剂供给的均匀性，实现推进剂利用率的有效提升，运用计算流体动力学（CFD）理论，建立了包括阳极推进剂、进气管和分配环在内的CFD阳极环模型，研究了未发生气体放电情况下，不同供给方式时阳极环内阳极推进剂的压强与流速变化情况。在此基础上，分析了阳极推进剂供给方式对10 cm氙离子推力器放电室空腔内阳极推进剂分布特性的影响作用关系。将优化前后的阳极环在10 cm氙离子推力器中进行了性能对比，结果表明:优化后阳极推进剂电离损耗由277.9 W/A降至241.2 W/A，放电室阳极推进剂利用率由91.7%提升至98.4%，验证了CFD计算结果的正确性与方法的可行性。研究结果为离子推力器放电室拓扑结构设计与优化提供了方法。      

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。     

星载大功率复杂微波部件微放电效应数值模拟

随着航天器有效载荷技术向高功率、小型化持续发展,复杂结构微波部件微放电数值模拟与阈值分析成为影响微放电分析的基础瓶颈问题。基于电磁时域有限差分计算方法与粒子模拟技术,结合二次电子发射模拟,提出了微放电电磁粒子联合仿真方法,数值模型中考虑了真实电子间的库仑力以及电子运动产生的电荷和电流变化对电磁场的影响,解决了复杂结构微波部件微放电三维数值模拟技术难题。实现了在统一的三维空间网格与时间步进行电磁场值演变计算、电子运动状态变化推进计算与二次电子产额与能量分布计算,基于得到的二次电子数目随时间变化趋势实现了微放电阈值预判,通过微放电电子随时间演化获得了微放电过程具体物理图像及放电位置,并与实际器件微放电实验进行了对比验证。结果表明,所提出的三维电磁粒子数值模拟方法可对大功率微波部件微放电效应的物理过程与具体放电位置进行三维描述,预测的阈值与微放电实验测量值吻合良好,误差小于1.2dB,验证了该方法的有效性与准确性,对于深入研究微放电效应微观物理机制、提高大功率微波部件微放电设计与分析水平具有重要意义。     

霍尔推力器仿真与优化

摘要： 针对霍尔推力器通道内的放电过程,建立一种基于COMSOL软件的仿真模型.该模型以等离子体内部电子和离子的漂移扩散为核心,结合电磁场、气体流动以及等离子体内部的碰撞反应,通过合理选取系统方程、边界条件以及求解器,有效估算霍尔推力器的性能参数以及各物理量在通道内的分布.将仿真结果与理论相比较,验证该模型用于霍尔推力器数值仿真的有效性并以此对推力器进行磁场优化设计.     

10 cm考夫曼型离子推力器放电室关键参数优化

放电室构型设计是离子推力器结构设计的基础与核心，直接影响到放电室工作能效及整机工作寿命。针对新型航天器在轨飞行任务对大推力、长寿命连续变推力离子推力器的应用需求，探究了影响10 cm离子推力器整机效能的放电室关键参数因子，揭示了发散场放电室的磁场发散度、电子通道面积及阴极位置等敏感参数对放电室性能的影响作用关系。开展了10 cm离子推力器放电室参数构型的优化与验证。结果表明：在不改变整机结构的情况下，通过优化放电室关键参数，10 cm离子推力器最大输出推力由20 mN提升至25 mN，提升近25%，推力调节范围由1～20 mN扩展至1～25 mN，全范围内推力分辨率均优于50μN，且推力器在20 mN最佳工作点的阳极电压由43.5 V降至38.4 V，放电损耗由345 W/A降至308 W/A，预估整机寿命将由15 000 h提升至17 500 h。研究为推动10 cm离子推力器的在轨扩展应用提供了一定的技术支撑。     

MPDT超导磁喷管外部磁场影响分析

由于传统提供附加磁场的液冷铜线圈存在体积大、质量大、电耗大等显著缺点,因此电流密度高、体积小、损耗低的高温超导（HTS）磁体在附加场磁等离子发动机（AF MPDT）上的应用受到了广泛的关注。然而由于超导材料的临界特性,HTS磁体容易受到外部磁场的影响而发生失超。文章通过对MPDT放电回路的简化,采用仿真和试验的方法来分析简化回路通电时激发的磁场,并研究其对外围HTS磁体的影响程度。仿真结果表明,MPDT放电室内部磁场以周向磁场为主,且由于阳极壁面电流对内部磁场的屏蔽作用,使得外部几乎没有磁场分布。试验结果和仿真也取得了良好的一致性,因此在设计超导磁喷管时几乎可以不考虑来自MPDT放电室磁场的影响。该研究为HTS磁体在AF MPDT上的应用提供了参考。     

集气腔总压对电弧喷射推力器工作过程的影响

为了研究集气腔总压对电弧喷射推力器工作过程的影响,在分析其工作机理的基础上采用化学非平衡流动和稳态电磁流体电磁场模型对不同集气腔总压下推力器工作过程进行了数值模拟.流体力学方程组和电磁场方程考虑了多种流动机理及电磁场与高温电离气体的相互作用,化学动力学模型考虑了各种碰撞反应.采用二阶精度NND格式求解流体力学方程组,采用有限速率化学反应模型计算组分生成率,采用交替方向隐式(ADI)超松弛迭代法求解电磁场离散方程.给出了不同集气腔总压下推力器内部参数分布及其宏观性能.研究表明,集气腔总压对推力器工作过程具有多方面的影响,在保证电弧稳定的情况下,适当提高集气腔总压可同时提高比冲和推进效率.     

电离层中SEE现象的静电粒子模拟

利用网格粒子云（PIC）模型。在一定条件下，对电离层加热实验中静电波的激发和参量不稳定性的产生，作一维静电粒子模拟，模拟结果表明，SEE的特征与加热泵波频率ω0和电子回旋频率nωce之间的比值有关。入射泵波的电场与地磁场之间的夹角也是影响SEE的一个因素。     

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。     

毫米波-太赫兹电子回旋器件的几个基础问题

探索和发展更高频率和更高功率水平的电磁波源是电子器件长期以来的重要发展方向.本文介绍了基于电子回旋脉塞原理发展起来的电子回旋器件,该类器件在毫米波-太赫兹波段具有高功率的优势.系统探讨了电子回旋器件所面临的欧姆损耗、模式竞争以及对强磁场的依赖性等几个基础问题,指出在深入研究模式竞争机理的基础上发展高阶模式和高次谐波系统将有助于推动电子回旋器件实现高功率、高效率和高稳定性,这对促进器件向太赫兹频段发展具有参考意义.      

会切磁场推力器低频振荡特性

针对会切磁场推力器的低频振荡特性,将推力器的工作模式分为高电流模式和低电流模式,在此基础上研究了低频振荡随工作参数和磁场位形的变化特性,并针对推力系统外回路对低频振荡的影响进行了研究。结果表明,在高质量流量下,随着放电电压的增加,会切磁场推力器的工作模式从高电流模式转换为低电流模式。在高电流模式下,放电电流具有高振幅、低频率的特征,羽流比较模糊,并且电流振荡幅值随着放电电压增大呈先增大后降低的趋势,而对应的振荡频率随着放电电压的增大而增大。在低电流模式下,放电电流具有低振幅、高频率的特征,羽流有两条明显的亮线,并且电流振荡幅值和频率均随放电电压的增大而增大。在不同工况下,随着质量流量增大,放电电流振荡幅值和频率均呈现增大的趋势。研究还发现,外回路中的电阻和电感对低频振荡起到一定的抑制作用,而电容对低频振荡的影响并不明显。     

大功率无电极高密度等离子体电磁推进概述

无电极高密度等离子体电磁推进技术已成为未来深空探测、载人航天和货运、太阳能电站以及航天器在轨服务与维护等空间任务中极具竞争力的核心推进技术之一。在梳理不同无电极等离子体电磁加速机制基础上,开展大功率无电极高密度等离子体电磁推进技术性能对比,给出新概念无电极场反构型电磁推进技术向未来超大功率拓展的优势和发展潜力,同步分析了该技术亟需解决的关键基础问题,旨在为中国新概念场反构型电磁推进技术的研发提供理论基础。     

微阴极电弧推力器羽流探针诊断研究

微阴极电弧推力器（micro-cathode arc thruster,μCAT）具备功率低和结构简单的特点,能够满足微纳卫星的任务需求,具有良好的发展前景。μCAT羽流的诊断可以揭示推力器的加速机理,对提高其性能具有重要意义。利用朗缪尔三探针对μCAT羽流进行诊断,得到了μCAT羽流不同位置的电子温度、电子密度和离子速度等羽流特性,研究了外加磁场、充电时间和阴极材料对羽流特性的影响。研究结果表明,μCAT放电初期产生的等离子体电子温度较高,密度较大;随着等离子体向下游运动,电子温度和电子密度降低,离子速度增大;外加磁场的磁感应强度越强,电子温度和离子速度越高,电子密度有所降低;磁场位置适当向推力器下游平移,能够有效提高推力器中轴线的电子密度;μCAT充电时间越长,电子温度、电子密度和离子速度越大;相比于CuW和AgW阴极,Ti阴极羽流的电子温度更高,电子密度更低。