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%。     

磁拓扑结构对环型离子推力器放电性能的影响

为得到环型离子推力器最佳磁拓扑结构以有效提高推力器放电效率、降低放电损耗,对不同类型磁拓扑结构下的放电通道气体放电过程进行研究。采用PIC MCC数值计算方法对等离子体产生及运输过程进行数值模拟,分析磁场分布对等离子体密度分布、电子损耗率及放电稳定性的影响,结合统计结果,得到推力器放电性能曲线,最后进行试验验证。研究结果表明,相较多极场结构,环尖场磁构型能更好地约束电子运动,大幅降低其在阳极壁面损耗率,增加电子与中性原子碰撞概率,显著提高放电效率、降低放电损耗。     

空间站等离子体接触器钳位模式实验研究

为了研究等离子体接触器对空间站表面电位主动控制作用及钳位模式工作特性,对等离子体接触器进行了钳位模式实验研究,分析了空间站在运行轨道等离子体鞘层厚度,给出了等离子体接触器钳位电压和发射电流之间的变化规律,对真空度、等离子体密度、氙气流量等对钳位模式影响及等离子体接触器功率随发射电流变化规律进行了实验研究。实验结果表明:等离子体接触器在额定工作点下钳位电压低于20V;钳位电压增加使等离子体接触器发射电流突增;较低的真空度、较高的空间等离子体密度、较大的氙气流量会使等离子体接触器钳位模式较早出现,等离子体接触器电子发射特性曲线左移了近20%;等离子体接触器功率随发射电流增加而减小了近30%。     

湿热环境对改进型钡钨发射体空心阴极放电特性的影响

电推力器用传统钡钨空心阴极具有工作温度低、发射效率高的优点,但其抗中毒能力却较差。电推力器的寿命受到空心阴极寿命的制约,为保证推力器长期在轨工作,研制了一种具备强抗中毒能力的改进型钡钨阴极,将其暴露在90%湿度、60℃的湿热环境中累计240h,试验前后触持电压的变化量小于1V,满足判据要求。随后对改进型钡钨阴极分别进行了组件级和推力器级性能测试,测试结果表明,改进型钡钨阴极的稳态工作温度为1050℃,比六硼化镧型阴极低250℃,组件级阳极电压为21V,比六硼化镧型低4~5V;推力器级阳极电压为35V,比六硼化镧型低8~10V。试验结论表明,改进型钡钨阴极具有强抗中毒能力及优异的工作性能,采用该类阴极可以有效地满足推力器的长寿命要求。     

等离子体接触器放电特性试验研究

为了研究等离子体接触器的伏安特性,设计试验分别测试了单支和双支等离子体接触器工作时的伏安特性,并给出了等离子体接触器钳位电压、偏置电压以及触持电压随偏置电流的变化规律。试验结果表明:供气流率的提升有利于接触器放电效率的改进;等离子体接触器钳位电压、触持电压与偏置电流之间呈现出不同的规律,前者呈现为正阻特性,后者呈现为负阻特性;两支等离子体接触器同时工作时相互之间存在影响,额定值为5 A时,两支接触器的发射电流分别为8 A和2 A,因此采用双接触器同时工作时,应尽量采用伏安特性接近的阴极以减小差异性。     

原子氧环境对空心阴极影响的地面模拟试验研究

为确定原子氧对六硼化镧型空心阴极的影响,将LHC-5型空心阴极放置于原子氧试验设备中反复点火,期间使用钨铼5-26热电偶测量阴极管温度。试验完成后检查空心阴极,发现阴极管出现膨胀开裂现象,其断面的XPS成分分析结果表明阴极管的断裂失效是由氧化导致的。因此,针对LEO使用六硼化镧型空心阴极的离子推力器、霍尔推力器和等离子体接触器等航天器部件,应制定正确的工作关机策略以保证阴极不受原子氧环境影响。