霍尔效应推力器羽流的PIC/MCC模拟(英文)

采用粒子网格单元与蒙特卡洛碰撞相结合的方法,建立霍尔效应推力器羽流的二维轴对称模型.模型中电子作为流体处理且服从等熵假设,离子(Xe~+和Xe~(2+))采用粒子描述,中性原子为背景气体.自洽电势通过求解非准中性、线性化Poisson方程获得.模拟结果与实验数据相比较表明,模型能够可靠预估羽流的物理特性;粒子入射发散角为30°～40°时模拟结果与实验数据吻合较好;倒流区离子数密度可达10~(14)m~(-3),会对飞行器表面造成损害;且等离子体密度和电子温度沿轴线方向衰减很快.     

霍尔推进器放电等离子体的数值模拟研究与发展

阐述了霍尔推进器的工作原理.介绍了等离子体模拟中的流体、粒子和混合三种模型,以及粒子模型中直接蒙特卡罗模拟(DSMC)、等离子体模拟(PIC)和PIC/DSMC混合模拟方法.给出了一维流体模型的假设条件和控制方程、DSMC的空间迭代和时间步进两种求解方法,以及PIC、PIC/DSMC混合法与典型二维混合模型的建立过程.讨论了三种模型的适用条件、局限性,以及发展趋势.     

重粒子碰撞对霍尔推力器通道等离子体影响数值研究

为了研究重粒子碰撞对霍尔推力器通道等离子体影响,采用PIC/MCC/DSMC混合法对放电通道工作过程进行数值仿真研究。建立放电通道二维数值仿真模型,模型中对重粒子碰撞进行重点考虑。估算了通道内各粒子碰撞下的平均自由程,并针对重粒子碰撞单一变量开展了2个仿真模型计算,并对结果进行了对比分析及验证。结果表明:重粒子碰撞对通道内离子数密度分布影响较大,主要表现为离子数密度分布在电离区更为均匀,离子数密度峰值下降6.9%;离子轴向速度影响较小,出口处离子轴向平均速度下降1.3%。与实验结果对比验证,重粒子碰撞因素使仿真结果与测试值之间误差由9.0%缩小到7.3%。     

霍尔推力器点火过程研究现状及展望

为了总结霍尔推力器点火启动过程方面的研究成果,梳理未来的研究方向,对国内外相关研究进展进行了综述,详细分析了霍尔推力器点火启动过程及其关键研究点,总结了霍尔推力器点火启动过程中阴极电子源效应、点火启动条件、点火启动过程及等离子体演化过程、点火冲击电流、抑制方法以及点火过程向稳态转换过程的基本概况和发展趋势。面向未来深空探测、商业航天等空间推进任务,提出了霍尔推力器点火启动过程值得研究的问题和方向。     

基于滑模观测器位置检测的水下推进器直接转矩控制研究

水下推进器是水下航行器的重要组成部分,为提高其转矩响应性能,提出了一种基于滑模观测器位置检测的水下推进器直接转矩控制方法。该方法将一种双曲正切函数引入线反电动势(EMF)滑模观测器,并将该滑模观测器应用于水下推进器直接转矩控制系统中,使得驱动控制系统通过水下推进器线反电动势观测值进行扇区判别与转矩估计,从而获得6个离散的换相信号,实现无位置检测的水下推进器直接转矩控制。仿真试验表明:所提控制方法能够很好地观测线反电动势,提高转矩动态响应,减小系统抖振幅度。     

霍尔推力器阳极加热机制及设计优化

阳极的过热不仅降低霍尔推力器的放电稳定性和推力效率,同时也是推力器的一种失效原因,直接引起推力器放电电流、功率异常增加导致关机故障。为在设计阶段解决阳极过热失效问题,本文通过理论分析建立了阳极热过程模型,分析得到阳极鞘层的形成是影响阳极热功率的核心过程,而阳极电流密度和磁感应强度是影响鞘层特性的关键参数。研究结果表明,阳极鞘层电势差随阳极电流密度的提高而增大,在典型近阳极区等离子体参数下,阳极电流密度小于600A/m2时,阳极负鞘层形成;而阳极热功率随着近阳极区磁感应强度的增加而升高,将阳极位置设计在零磁场区是最有利于降低阳极热功率的设计。     

基于横向二次射流的水下推力矢量方法

提出一种基于横向二次射流的水下推力矢量技术,通过二次射流的横向速度场诱导主流发生偏转,建立了推力矢量偏角与流速偏角的数学关系,证明了通过主流偏转实现推力矢量偏转的有效性。通过数值计算方法分析了不同二次射流深度、不同二次射流/主流体积比及不同二次射流/主流速度比条件下主流偏转角度变化。结果显示:随着二次射流深度的增加,主流受到壁面阻碍作用增强,因而偏转角度减小。随着二次射流/主流体积比的减小,出口负压区所占比例减小,主流偏转角度增加,且当体积比减小到一定值后,负压影响可以忽略,主流不再随体积比而变化。主流偏转角度随速度比增加而增加,且在速度比一定的条件下,速度数值的变化对主流偏转没有影响。设计了一种主流为圆形射流的水下矢量推进器,对其数值分析结果揭示:当位于射流中剖面同侧的二次射流全部作动时,主流可以取得最大的偏转角度,且主流的偏转方向可以通过使不同的二次射流组合处于作动状态进行控制。      

氪气工质霍尔推力器束聚焦特性研究

以研究氪气替代氙气作为霍尔推力器工质时,等离子体束发散程度大等束聚焦特性问题为目的,通过以霍尔推力器磁场参数、放电电压和阳极工质流量分别作为单一变量进行实验研究,考察其对推力器等离子体束聚焦影响情况。使用HET-P70霍尔推力器进行相关实验,通过改变磁场参数来研究磁场位形对氪气工质推力器性能的影响,最终发现合适磁场位形形成的磁聚焦状态,即实验一中的工况3,可以使羽流发散角达到11.5°,此时推力器放电电压在400V,阳极工质流量3mg/s。另外,通过实验二和实验三,考察阳极工质流量和放电电压对氪等离子体束聚焦的影响机理,发现两个放电参数的变化主要改变了中性气体主电离区位置,进而影响等离子体束聚焦状态。电离位置在设定工况下外移9%,会使得羽流发散半角增大约12°。所以,磁场位形和中性气体的电离位置是影响氪等离子体束聚焦的重要因素,在对氪气霍尔推力器进行设计优化时应予重点考虑。     

一款国外喷水推进器的三维反问题改进设计

某厂家购置的国外喷水推进器装艇后与主机不匹配,不能完全消耗主机功率,导致艇航速较低。针对这一现象,在保持推进器转子叶片数、导叶数和推进器主体尺寸不变的前提下,采用三维反问题方法对叶轮和导叶进行了增载设计。研究采用CFD数值模拟方法对两推进器进行了平底船数值求解,结果表明:原推进器计算结果与自航试验吻合较好,验证了CFD数值模拟的可信性;新设计推进器解决了原推进器不能充分利用主机功率的缺陷而产生更大的推力,使预报航速从9.5kn提高到12kn,喷泵效率提高2%,喷口射流轴向能量分量提高8%。     

力矩不平衡航行体推进器的设计和性能分析

为了平衡某水下航行体前后转子的力矩,通过对前后转子进出口速度三角形的分析,提出采用对转式泵喷推进器的设计思路:在后转子叶片后加装导叶,从而保证推进器力矩整体平衡,同时导叶可以起到支撑导管的作用。在反三元设计方法基础上,对前后转子以及导叶之间的速度矩进行简单假设,完成叶片的参数化设计。通过计算流体力学分析,对所设计的泵喷推进器在全附体条件下进行性能计算。结果表明:设计航速下,所设计的泵喷推进器在前后叶片收到功率相差20%的条件下,通过导叶的平衡,推进器整体不平衡力矩缩小到了1.8N·m,占总力矩的比例从4.6%降为0.4%,完成了航行体推进器力矩的平衡,验证了设计思路和设计方法的有效性。