空间电动力绳系电流峰值点变化规律研究

为研究电流峰值点在几种影响因素下的变化规律,建立一种能够捕捉绳系电子发射与收集自洽平衡过程的新算法——电路空间耦合算法。为验证该方法的计算精度,以1.35kW霍尔推力器为等离子体源,在真空舱内开展绳系的电荷收集试验,在电路参数方面,计算精度约为12.8%,在场参数方面,计算精度约为3.6%。在此基础上,针对不同偏置电压、绳系长度以及绳系直径,对绳系的绳上电流分布、电势分布以及空间电势分布等参数进行数值计算。结果显示:电动力绳系的电流峰值点会随着偏置电压升高、绳系长度增加及绳系直径增大而发生比例上的向阳极端漂移,揭示了电子轨道运动限制的机制在各类壁面电荷输运机制中占优,导致电流峰值点漂移的产生。     

用于光波纳米推力器的颗粒供应技术和光聚积技术研究

为提高光波纳米推力器在轨应用的可行性,针对与其匹配的颗粒供应技术和光聚积技术进行研究。提出整个推进系统的设计思路,通过建立理论计算和数值计算模型,分析颗粒供应技术和光聚积技术的各项核心结构参数的设计方法。计算结果表明:颗粒供应装置的正负电极内径之比(W/D)会影响正负电荷产生的总量之比,在W/D=300/322附近时,正负电荷比例接近1:1。静电诱导电压为9 V,当中和通道长度大于37.5mm时,正负颗粒可以视为完全中和。光聚积设计思路可令聚积球对光能的利用率在32.8%左右。两种相关技术的装置与推力器在结构上能够对接、在性能上可以匹配,从理论上表明了两种支撑技术的可行性。     

光波纳米推进技术中的表面等离激元增益光镊作用机理

为研究天线不同结构对表面等离激元（SPP）增益光镊作用的影响,建立天线-基底的电磁波传输耦合激元电场触发光梯度力的数值模型,并利用数值模型分析天线不同结构对SPP电场的影响规律,同时,这种电场变化规律对光镊增益有直接的数学关系,基于上述物理机制,获得不同天线结构对光梯度力产生的优化策略。为验证上述物理机制与优化策略的有效性,开展纳米颗粒的粒子图像测速（PIV）试验,天线材料为银,基底为二氧化硅,纳米颗粒为银,试验能够完好地观测到纳米颗粒在天线通道的运动情况。结果表明,光梯度力的增益机制在于激元电场强度和梯度两方面因素,前者随天线不对称性增强而先增大后减小,后者呈现一直增大趋势;纳米颗粒推动作用力的计算误差约为5.5%~13.8%,且试验值与计算值的趋势相符,一方面验证本文研究机理及优化策略的有效性,另一方面证明PFP技术的原理可行。     

超声电喷推力器的液滴发射机理研究

为研究引出电场和超声波频率对液滴发射过程的影响机理,采用水平耦合集/体积分数法结合直接电水动力学算法的耦合方法对液滴发射过程进行数值模拟。经过试验验证,液滴粒径和发射数率的最大计算误差在12%以内。利用该模型计算发射液滴数率、粒径随引出电压、超声波频率的变化规律,以及进一步计算推力、比冲随引出电场、超声波频率的变化规律。计算结果显示:高引出电压会导致2个或2个以上液滴发射,令比冲随引出电压出现先增大后减小的趋势,而高超声频率对比冲的影响呈单调递增。     

一种用于纳米颗粒场致发射推力器的自中和技术

纳米颗粒场致发射推力器(NFET)是一种用于微小卫星的固体工质静电推力器,为促进NFET的工程研制,提出一种新的自中和技术——反向充电中和策略。为研究这种自中和技术的设计方法,建立相应的数值模型以模拟该中和技术下羽流输运过程,并且,在真空舱中开展NFET的羽流测量试验来验证中和模型的正确性。以比色温度计和"打靶法"装置来分别测量羽流温度分布和推力,通过试验与仿真结果的对比,羽流温度变化的试验结果与仿真结果在定性规律上一致,推力的计算误差在9%～10%。在验证模型正确性的基础上,利用该数值模型对关键设计参数进行数值分析。结果表明:引出极与发射极的内径比变化会导致外加电场对剩余电荷颗粒作负功,引起推力下降,该物理参数在0.94附近时,推力达到极大值;而随着颗粒直径的增加,羽流中和区域整体向下游推移,推力升高。本文结论可为NFET的反向充电中和策略提供设计参考。     

霍尔推力器羽流对S波段电磁波的衰减研究

霍尔推力器羽流对S波段电磁波信号有衰减作用,这对星上推力器与天线的布置策略有重要影响。为研究S波段电磁波的衰减程度,建立几何光路算法,对电磁波在等离子体羽流媒质中的传输衰减进行数值描述,并以试验所测的信噪比数据来验证算法精度。验证试验采用空间透射波法,在相同工况的试验与计算结果对比中,最大计算误差为26.1%,平均误差为7.3%;在趋势上,试验结果与计算结果保持一致。在此基础上,针对84个在轨典型工况进行S波段电磁波信噪比衰减计算,结果显示：羽流对电磁波的吸收作用是影响衰减的主要因素,衰减最大区域出现在天线位置0.3～0.6m、方向角15°～30°的区域,衰减值在-7~-4dB之间。该结果可为霍尔推力器与天线在卫星的布置提供参考依据。     

无加热器空心阴极的击穿电压特性研究

为预估无加热器空心阴极(HHC)的击穿电压,基于汤森放电理论结合对起始击穿路径判定方法,建立一种击穿电压预估的新算法(JBP法)。接着,开展HHC击穿试验以验证该算法的计算精度,计算与试验所得的击穿电压-气体流率曲线(BV-fr)具有较好的吻合度,误差范围在2.1%～5.6%,并且,揭示BV-fr曲线的“类直线”特性,以证明JBP算法的合理性。在此基础上,对HHC不同关键尺寸下的BV-fr曲线进行数值计算。结果表明,随气体流率升高,HHC的起始击穿路径总会从长路径向短路径转移,而增加间隙中最长路径的长度可以有效实现低流率下的击穿电压降低。     

空心阴极热特性优化研究

空心阴极常用于霍尔或离子电推进系统的电子源，其热特性对自身工作寿命和能效有重要影响。为考察工作过程中阴极的温度分布和热耗散特性，对空心阴极进行数值分析。采用等离子体流场计算数据与温度场计算数据互为输入条件，进行反复迭代的方式，计算稳态下阴极内部的温度场。为验证模型与计算代码的正确性，在真空舱内开展阴极的放电试验，利用热电偶与光学温度计对阴极5个测点进行测温，并将试验结果与计算结果进行比对。结果表明，计算的最大误差在5%以内。在此基础上，考察了不同结构、材料空心阴极内部的温度分布以及热耗散情况。当阴极整体长度由小变大时，阴极整体热耗散功率会先减小后增大，而采用发射率较高的外壳材料会提高阴极整体热耗散且降低整体温度。