30cm离子推力器在轨环境下的工作点及热控措施研究

栅极间距变化是影响离子推力器在轨环境下从冷态条件正常点火启动的重要因素，同时也决定了离子推力器的在轨工作时机和热控实施策略。本文采用有限元仿真与地面热平衡试验验证相结合的方法，建立起30cm离子推力器有限元分析模型并进行了模型校验，之后对离子推力器在轨受太阳光照影响的栅极温度场分布和间距变化，以及推力器在5kW工况下的三个典型温度点所对应的栅极间距变化进行了仿真分析，最后考虑了主动热控干预对推力器最恶劣工作点的栅极间距变化影响。结果显示：纯太阳光照影响下的栅极组件存在周期性温度变化，栅极最大温差可达到100℃，栅间距缩小量在0.06mm~0.16mm范围内波动；在太阳光照基础上实施60W的主动热控后，栅极最大温差降低至60℃，栅间距缩小量波动范围则变为0~0.03mm；栅极最高温度点和最低温度点分别是推力器冷态启动最容易和最困难的两个工作时机点，两点所对应的启动后屏栅和加速栅最小间距分别为0.22mm和0.04mm；在10W、70W和120W的热控加热功率下，从最低温度点启动后的屏栅和加速栅最小间距分别为0.06mm、0.20mm和0.29mm；采取主动热控措施能够有效降低推力器工作过程中的栅极热形变位移峰值，且加热功率为120W即温控点温度为50℃的主动热控可以满足30cm离子推力器在轨冷态启动时的0.25mm安全栅极间距要求。     

微阴极电弧推力器的设计与试验

微阴极电弧推力器具有体积小、重量轻、功耗低、比冲高等优点,是微纳卫星空间推进的理想选择。为了研究其关键特性以及基本性能,设计了一套环形微阴极电弧推力器样机,包括推力器本体和功率处理单元。高速摄影对推力器点火的观测验证了磁场存在时阴极斑点的旋转,并获得了阴极斑点旋转速度与磁场强度的关系。通过飞行时间法、打靶法分别对离子速度、元冲量进行了测量,测量结果表明:推力器出口离子的轴向平均速度在15~30km/s,没有磁场时,元冲量为0.132μN·s,磁场强度为0.0457T时,达到0.262μN·s,推力器平均推力大小在μN量级。通过研究得到:微阴极电弧推力器烧蚀均匀,性能易于调节,适用于微纳卫星。     

针式铟场发射电推力器的研制及实验特性 *

为了研制针式铟场发射电推力器实验样机,采用微细电化学腐蚀法制备了场发射电推力器的核心部件发射针,并对发射针进行了表面粗化以促进推进剂的输运,研究了真空环境中发射针的浸润方法,实现了推力器的点火,并测得了不同针尖尺寸的发射针的I-V特性曲线和推力值。实验结果表明,发射针针尖半径决定了点火起始电压的大小,针尖半径越小,点火起始电压越低;推力器样机有连续的推力输出,最大推力可达30μN。     

磁路温度对霍尔推力器放电热稳定性的影响

为研究磁路高温性质变化对霍尔推力器放电热失稳的贡献及影响机理,对不同磁路温度下推力器的工作磁场强度开展了实验测量,对磁路温度变化与通道内等离子体放电行为变化的交互影响开展了Particle-in-Cell数值模拟研究。实验结果表明,当磁路温度由室温升高到600℃时,推力器的工作磁场强度发生了衰减,尽管衰减量不大(约5%)。模拟结果表明,磁路高温引起的场强衰减改变了推力器放电时的电导率及电势分布,进而对电子能量各向分布、粒子密度分布等造成了影响,促进了电子在壁面的通量及能量损失,主导了壁面等离子体沉积功率的增加,从而进一步加剧了磁路温度的增长。这是一个具有正反馈性质的过程;因此,若不能通过外部手段有效控制磁路温度,将诱发霍尔推力器的放电热失稳。     

小型感性耦合射频等离子体中和器的实验研究

为了研究适用于百瓦级电推力器的离子束流中和技术,基于电子鞘层模型、射频等离子体最优放电技术和通过插入探针实现快速点火的方法,设计了一套小型感性耦合射频等离子体中和器(RF plasma neutralizer,RPN)。实验研究了RPN中和器的稳定工作条件和电子引出特性,实现了RPN中和器稳定工作和电子有效引出。实验结果表明:电子引出特性主要取决于发射孔附近阳极斑的形成与否,而阳极斑的形成又主要受结构设计、工质流量和偏置电压等运行条件的影响;通过对RPN运行条件的优化试验,获得了55~150m A可调电子束流范围和较高的工质利用系数(3.9~10.5),满足离子束流中和需求;另外,实验中还观察到了电子束流随工质流量或偏置电压的迟滞现象。     

碘工质霍尔推力器原理与研究进展

霍尔效应推力器作为一种先进的电推进装置受到国内外航天界的广泛关注,利用氙气作为推进剂的中功率霍尔推进技术已相对成熟,并有上千台霍尔推力器在轨运行。然而,作为一种稀有气体,高纯度氙气价格昂贵,相对固体推进剂其储存密度偏低,高压储箱给安全和减重带来不利。因此,寻求一种新型固态工质替代氙气具有重要意义。2006年,有学者提出利用固态碘特有的升华和电离特性,可以代替氙气作为霍尔推力器的推进剂的想法,并对此进行了原理样机设计和初步实验研究。首先对国外的研究进展和目前能达到的推力器性能进行了概述,接着阐述了碘工质霍尔推力器的工作原理,然后总结了该推力器研究的关键技术和理论上可行的解决方案,最后对碘工质霍尔推力器的应用前景进行了展望。     

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.     

碳纳米管阵列推力器放电特性的数值模拟研究

基于直接蒙特卡洛(DSMC)算法、浸入式有限元算法(IFE)、粒子云及蒙特卡洛碰撞(PIC-MCC)算法以及Ammosov-Delone-Krainov(ADK)隧穿电离模型建立了碳纳米管阵列推力器工质气体和CNT场电离过程的三维仿真模型。利用文献中的实验数据对本文仿真模型的有效性进行了验证,结果表明本文仿真模型与实验结果基本一致。针对碳纳米管阵列推力器的放电特性进行了研究,并重点分析了离子与原子碰撞过程对碳纳米管阵列推力器放电特性的影响。结果表明CNT可以极大地增强局部电场,稳态时场增强因子约为1308;与原子的碰撞使得离子在CNT附近更加集中,降低了局部电场,进而降低了其场增强能力。     

LIPS-200离子推力器放电室原初电子动力学行为的数值模拟研究

为了得到试验测量不到的气体放电过程中电磁场作用下单个原初电子的动力学行为,建立了LIPS-200离子推力器放电室二维仿真模型,应用网格粒子法(PIC)和蒙特卡洛碰撞(MCC)模拟法对其进行了研究。模拟得到在额定工况下原初电子和中性原子之间的碰撞概率、原初电子损耗率、电磁场分布对其运动速度及运动轨迹的影响等。结果表明磁铁表面磁感强度最大,越靠近放电室内部磁感强度越小,对称轴区域无磁场分布,原初电子在电磁场作用下沿磁力线作加速螺旋运动;运动等离子体的自洽电势大小范围仅为0~2.0V,几乎不会影响等离子体运动;对应总原初电子个数为1.2×106时直接被阳极表面吸收的损耗率仅为0.02%。     

N2O单组元微推力器高空模拟实验研究

在真空舱中进行了N2O单组元两种尺寸的微推力器的高空模拟试验研究,分析了微推力器设计参数对比冲等性能的影响。结果表明,两种尺寸微推力器的最大比冲分别为1.608 N.s/g和1.639 N.s/g,热损失、床载和床长对微推力器性能影响明显,存在最佳床载值、床载和床长的匹配。