肼电弧喷射推力器工作方式可替换性数值研究

在正确理解电弧喷射推力器工作过程物理机理的基础上建立了其简化的物理模型,并基于此物理模型利用耦合电磁源项的N-S方程组来表达其数学模型,对相同结构尺寸的低功率肼电弧喷射推力器加电弧和不加电弧时的工作性能进行了比较计算.采用二阶精度无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式)和显式时间推进法求出数值解.计算结果给出了有电弧和无电弧时推力器的流场结构,预计了不同工作方式及不同工作条件下推力器的推力和比冲,证实了推力器工作方式的可替换性.      

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.      

离子推进系统仿真与故障诊断研究

离子电推进系统由于组成复杂，发生故障的概率大大增加，通过系统仿真并在此基础上开展故障诊断研究，对于识别故障原因及保障离子推力器系统正常工作具有重要作用。本文结合离子电推进系统各子系统数学模型，利用Matlab/Simulink实现了离子推力器系统仿真模型，基于LIPS-300离子推力器数据，对其性能进行了仿真，仿真模型输出结果与相关文献中已有的结果一致。采用该系统仿真模型结合故障因子，对故障状态的离子推力器系统进行了仿真，利用得到的故障数据与Matlab神经网络工具箱建立了离子推力器故障诊断系统。利用仿真模型额外生成另一组已知对应故障模式的故障状态运行数据，并利用该组数据对故障诊断系统进行了诊断能力测试，系统诊断结果与其已知对应故障模式相比，正确率为93.8%。     

离子发动机羽流特性的数值模拟

离子发动机羽流中产生的交换电荷(CEX)离子返流会影响航天器的正常工作.建立离子发动机羽流模型,采用单元内粒子方法(PIC)对羽流场进行数值模拟计算.结合DS-1探测器飞行实验的测量结果,分析了卫星电势、电子温度、卫星几何尺寸、推力器工作特性等对相关因素对CEX离子返流特性的影响.结果表明:从推力器出口附近到卫星背面,CEX离子密度为108~1012m-3.当卫星电势从-15V变化到27V,测量点位置处CEX离子密度从0.65×1012m-3变化到1.5×1012m-3.羽流中CEX离子密度和电势结构随电子温度变化不大,但电势大小随电子温度成比例地变化.同一位置处不同工况下CEX离子的密度可根据CEX离子生成率与工作点参数间的关系式准确地估计.卫星安装推力器的表面起着对CEX离子返流屏蔽和降低的作用.      

离子发动机加速栅极腐蚀深度的DFF测量与数值模拟

使用聚焦深度表面测量(DFF)方法对加速栅极下游表面腐蚀深度进行了测量,并将测量结果与数值模拟结果进行了比较,所使用的数值方法为PIC-Monte Carlo方法.利用数值模拟程序对离子发动机栅极腐蚀进行了数值模拟.以氙为推进剂,栅极材料为钼.用蒙特卡罗方法模拟了氙离子与中性氙原子之间的电荷交换碰撞.模拟得到了加速栅极下游表面离子溅射腐蚀的深度分布,腐蚀模式与"Pits and grooves"模式相吻合.      

膨胀磁场和太阳风粒子相互作用三维数值模拟

采用三维模型,使用混合网格质点法HPIC(Hybrid Particle-in-Cell)对膨胀的磁场和太阳风相互作用过程进行数值模拟.研究了线圈产生的偶极子磁场在注入等离子体后和太阳风粒子的相互作用过程,并对以不同速度入射的等离子体引起的太阳风粒子的变化和磁场变化进行了比较.研究结果表明,偶极子磁场和太阳风作用时会产生弓形激波,此时磁压等于太阳风粒子的动压,当向线圈产生的偶极子磁场中注入高能等离子体时引起磁场膨胀,膨胀的磁场将会排斥太阳风粒子向外运动,从而引起弓形激波的变化,增大与太阳风相互作用的面积,并且粒子入射速度越大,磁场膨胀越明显,与太阳风相互作用愈强.      

小功率电弧加热发动机试验参数测试和精度分析

建立了一套适用于小功率电弧加热发动机地面试验的计算机数据采集测试系统,叙述了发动机地面试验过程中各测量参数的测量原理、系统的软、硬件组成以及相关技术参数.对计算机数据采集测试系统各工作通道的测试精度进行了精度分析,给出典型的试验测试结果.分析结果表明,该套数据采集测试系统能准确测得小功率电弧加热发动机工作参数,解决了小功率电弧加热发动机地面试验参数测量过程中微小流量、微小推力测量的技术难题,反映出发动机地面试验状态,为深化展开发动机各项研究提供重要保障.      

电荷交换离子对栅极系统束流影响的数值研究

采用二维网格质点法(PIC)计算离子在离子发动机栅极系统中的运动, 通过在模型中添加离子和中性粒子电荷交换的Monte Carlo碰撞模块, 得到了电荷交换离子在栅极周围的分布及电荷交换离子的运动规律.计算结果表明:考虑电荷交换离子后, 屏栅极电流较不考虑电荷交换离子情况时增大了1.42%, 所受影响不大, 加速栅极电流由0增大到主束流电流的1.41%.模拟结果表明:加速栅极下游较远处产生的电荷交换离子, 是造成加速栅极下游面腐蚀及加速栅极电流的主要原因.      

小功率N_2推进剂电弧推力器工作过程和性能实验

电弧推力器 (arcjet)因其高推力 /功率比、高推力密度等特点成为当前国际上电火箭研究和应用的热点。文章描述了 arcjet的内部工作机理 ,介绍其实验和工作参数测量方案 ,针对小卫星使用 N2 作为推进剂 ,对 4种不同结构尺寸的小功率 arcjet进行了不同工况下的性能实验 ,给出初步的发动机工作性能参数及实验结果分析。实验结果表明优化推力器工作参数并合理设计其结构尺寸可提高推力器性能。所得结论对小功率 N2 arcjet推力器的优化设计具有的参考价值。     

电弧加热发动机结构参数对性能的影响

为了研究结构参数对电弧加热发动机的影响，设计了不同结构尺寸的小功率电弧加热发动机，通过地面点火实验获得了发动机的参数和性能。在此基础上分析了推进剂进入方式、约束通道结构尺寸、电极材料对发动机性能的影响，给出丁优化的约束通道参数。实验表明，电弧加热发动机结构参数对发动机工作性能产生较大的影响。