霍尔推力器放电室壁面溅射产额研究

霍尔推力器放电室壁面经受低能量(不大于300e V)离子的溅射是影响其寿命的关键因素之一。为了获得放电室壁面材料(BNSi O2)的溅射产额随离子入射角度和能量的变化规律,采用真实霍尔推力器提供275e V的氙离子在真空舱内轰击靶材,利用称重法获得实验参数下的溅射产额。为了克服单纯依靠实验测量耗时耗钱且更低能量的离子溅射实验测量误差会陡然增大的缺点,采用前面实验结果修正了基于蒙特卡罗(MC)方法的SRIM软件溅射产额计算参数,并采用文献实验结果对不同能量下的模拟结果进行验证。在此基础上,用SRIM软件较为详细地考察了入射离子能量低于300e V时入射角度和能量对霍尔推力器放电室壁面材料溅射产额的影响规律。结果表明,溅射产额随离子入射角度先增大后减小,而随入射离子能量则呈现增大的趋势,但当能量小于100e V时,溅射产额逐渐趋于一个非常小的数值。     

半透明高温涂层的内部辐射效应

为了准确计算涂层和金属基底内的温度和热流，需要考虑涂层内部热辐射的影响。采用光线踪迹／节点分析法对吸收、各向同性散射性非灰涂层内的辐射与导热瞬态耦合换热进行数值模拟。与多个文献的计算结果比较表明，计算方法正确，计算结果精度高。数值模拟结果表明，忽略涂层内的热辐射会使实际运动中的金属部件温度高于设计温度。     

碘工质霍尔推力器内部过程数值模拟

随着霍尔推力器的大力发展，碘工质霍尔推力器越来越受到研究人员的重视。深入了解碘工质霍尔推力器放电室内部过程，为优化推力器性能和拓展空间应用提供依据。建立了二维PIC/DSMC/MCC混合方法模型，结合鞘层和二次电子发射模型，根据碘工质特性，加入解离-电离过程，在定壁温条件下，针对200 W碘工质霍尔推力器放电室内部过程开展了数值模拟，考察其放电室内等离子体的多场耦合特性以及与壁面的相互作用过程。研究其放电通道内部的等离子体行为，分析放电室内的等离子体参数，获取其离子数密度、离子轴向运动速度、电子温度等特征参数，将模拟结果和氙工质进行比较。结果表明:相较于氙工质，碘工质霍尔推力器存在解离区，宽度约为2 mm，位于近阳极区之后、电离区之前。     

基于DSMC方法的高空固发羽流模拟

为研究稀薄状态下固体火箭发动机羽流中颗粒的行为,在稀薄气相流场DSMC程序的基础上,添加了气固两相相互作用模型和颗粒相变模型。气固两相相互作用模型中,颗粒所受的作用由单个颗粒受到周围分子力和热作用公式求出,分子所受的作用由耦合求解气固相互作用方法求出,颗粒相变考虑固化、熔解,以及不发生相变的加热与冷却。用算例研究了流场的特性参数及不同粒径颗粒的温度分布,与文献数据符合良好,准确度在国内同类研究中具有一定的优势。在此基础上,针对实际固发羽流算例进行计算,分析了不同颗粒直径对流场的影响。结果表明:粒径越小颗粒扩散越开,X=0.4 m处粒径1μm颗粒的扩散较粒径100μm从0.03 m增大到0.2m;粒径越小颗粒温度降低越多,X=0.4 m处近轴线位置粒径1μm颗粒的温度较粒径100μm降低了44.4%;粒径越大,对气相流场阻碍作用越明显,X=0.02m处近轴线位置粒径100μm颗粒的速度较纯气相流场降低了54.5%。     

铋工质阳极层推力器的研究与发展

阳极层推力器(TAL)作为一种高功率、比冲、效率的电推力器逐渐成为国内外研究机构关注的重点，其在深空探测领域具有巨大应用潜力。然而，传统的氙工质不仅价格昂贵、提纯难度大、需要高压贮存，而且不能充分发挥TAL的性能优势。固体金属铋工质具有贮存密度高、成本低、易电离等特点成为代替氙工质的理想选择。本文根据TAL的工作原理与结构特点，对铋工质的适用性进行论述。首先对该推力器的研究现状和发展趋势进行概述;其次对铋工质的性能优势进行了阐述;然后对该推力器的结构组成、工作原理及关键技术进行总结与分析;最后对该推力器的应用前景进行展望。     

直流电弧等离子体炬的数值模拟

等离子体炬内部的物理场是影响等离子体性能及等离子体炬设计等方向的重要信息。受等离子体炬内部小空间、高能量密度及高电荷密度等因素的影响，无法通过常规手段进行测量。为了得到等离子体炬内部的温度、速度场分布情况，本文使用COMSOL建立了一台30 kW直流等离子体炬的二维轴对称模型。为了验证模型的可靠性，搭建了包括等离子电源、等离子体炬在内的实验平台，并使用热焓探针对该等离子体炬出口处的温度场进行诊断。将等离子体炬的模拟结果与实验测得的数据进行对比，发现模拟结果能够较好的吻合实际情况。改变模型阴极的电流输入，对等离子体炬内部的流场及温度场变化情况进行了系统模拟研究，得出了等离子体炬内部的发展模式，以及热量传递的薄弱点，可以为今后等离子体炬的优化方向提供参考。     

50 kW级高功率霍尔推力器放电通道数值模拟研究

高功率霍尔推力器兼顾了比冲高、推力大、寿命长等特点。为了提高设计效率并考察热负荷问题，以50 kW级霍尔推力器为对象，采用单元粒子法(PIC)/蒙特卡罗碰撞模型(MCC)/直接模拟蒙特卡罗碰撞模型(DSMC)混合算法，建立二维对称计算模型。基于准电中性假设、中性原子考虑为背景气体，计算得到标准工况下(功率50 kW，流量86.4 mg/s)推力为2.2 N，比冲为2 598 s，与同类推力器实验结果对比，误差分别为5.18%和3.35%。在此基础上，考察了多种工况下(工作电压400~600 V，工质流量69.12~103.68 mg/s)放电通道内离子数密度、离子轴向运动速度、电子温度分布等参数。结果表明:增大工作电压会增强粒子间相互作用及离子加速喷出效果，流量调节影响电子温度和离子数密度分布;从推力器性能方面来看，增大工作电压，推力比冲随之增大，流量增大、推力增大，推力器的热损失功率占比达到15.94%。研究结果为高功率霍尔推力器的设计和实验提供了一定的参考依据。     

基于PIC-DSMC算法的嵌套霍尔推进器仿真性能研究

随着航天技术的发展，新型嵌套式霍尔推进器解决了传统单通道霍尔推进器功率不高和运行模式单一的问题，在航天领域发挥着愈加重要的作用。为了研究质量流量和磁场强度对嵌套型霍尔推进器性能的影响，本文采用PIC-DSMC算法，追踪和模拟等离子体粒子在电磁场作用下的运动和碰撞过程，对羽流场进行仿真。模拟结果表明:质量流量和磁场强度对推力贡献成正相关，推进器的比冲和羽流发散角则会受到双通道的综合影响。适当增大内通道的运行功率能够提升推进器整体效率。本文的模拟结果初步证明了嵌套霍尔推进器运行工况和磁场设计的可行性，并进一步为推进器的实验和优化提供了数据支持。     

基于E×B探针系统的霍尔推力器束流特性分析

为探究霍尔推力器羽流中各价态离子能量分布，并以此为依据评估推力器性能，根据Wien条件，设计了一种用于测量稀薄等离子体羽流场不同电荷状态离子分布的E×B探针系统。基于对探针最大输入角离子的运动分析，推导了仅与探针结构参数相关的能量分辨率关系式，并以此为依据设计了探针，使用该E×B探针系统对200 W量级霍尔推力器进行羽流离子成分诊断。分析结果表明:距离推力器出口500 mm处，在中轴线角度0~20°内，单电荷氙离子Xe⁺比例分数为90.42%~94.25%，对应的Xe²⁺比例分数为9.58%~5.75%;随着角度的增加，Xe⁺比例分数减少，Xe²⁺比例分数增加，平均电荷增加;推力器的电荷利用效率、电压利用效率分别为99.38%、86.95%。该探针系统的测量结果可为分析推力损失和优化推力器性能提供参考，并可为羽流仿真提供验证。