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。     

惯性静电约束推力器放电过程数值模拟研究

为了研究惯性静电约束推力器(Inertial Electrostatic Confinement Thruster,IECT)的放电原理和工作机制,采用漂移-扩散流体模拟方法,基于圆柱形惯性静电约束推力器的结构,研究不同栅网线直径、栅网个数、推力器尺寸条件下等离子体放电情况和阴极电压、背景气压对推力器放电的影响。结果表明:在所研究条件下,保证阴极必要的几何透过率的同时,适当增加推力器栅网个数可以提高喷射离子密度,减小羽流发散角;随着阴极电压和背景气压的增大,推力器喷射的等离子体密度增大。但是,压强继续增大会达到临界值,等离子体被约束在推力器内部无法喷出,即喷射模式无法运行,故阴极电压与背景气压对IECT均有较大影响。     

离子液体微推进技术研究进展

介绍了离子液体推进器的基本结构和工作原理,阐述了粒子发射的限制条件及通常采用的工作模式,总结了该推进器的常见分类形式。介绍了当前广泛应用的一些实验方法和仿真手段,以及针对发射阈值场强、束流散射、多粒子分散效率、推进器长时间工作稳定性等问题开展相关研究取得的进展,对比分析了适合粒子发射的工作环境及相对精确的仿真方法,为推进器的后续设计、工作模式设定及性能评估等工作提供了参考。结果表明：增大推进剂流阻、提高发射极阵列密度是提高离子液体推进器效率和推力的合适手段;利用闭环控制的方法改变发射电压极性、逐渐提高发射电压大小是维持推进器推力大小、提高工作稳定性的有效方法。     

发散磁场中等离子体加速和推进性能数值研究

稳态螺旋波等离子体推力器中，源室放电获得的一定能量的等离子体经过磁喷管加速产生预定的推力和比冲。为了分析在发散磁场约束下，等离子体的运动受约束磁场和内能变化的影响规律及其推进性能，引入了考虑电子和离子不同响应的二维轴对称数值模型。计算了入口中心磁感应强度[B0]为100～500G、电子温度[Te0]为3.0～10.0eV时等离子体的运动。结果表明，入口等离子体的内能增加，[B0]保持100G不变时，其最终膨胀的绝对速度增加，比冲从400s提高到约为580s；内能变化对比冲[Isp]的影响大于磁感应强度。不考虑等离子体与磁场相互作用情况下，文中计算的磁场范围可以最大限度地将内能转化为等离子体的轴向定向动能；为了提高[Isp]，应适当增加电离段等离子体获得的能量，且可以适当降低对产生约束磁场的电流线圈输入能量要求。     

电子回旋共振推力器放电室内磁场与微波电磁场分析

电子回旋共振推力器具有寿命长、比冲高、结构简单等特点,适宜用作深空探测器主推进装置。放电室是电子回旋共振推力器的关键部件,其作用是产生电子回旋共振等离子体。放电室内的磁场和微波电磁场分布对于推力器的可靠启动、稳定工作有着重要的影响。为此针对10cm推力器,采用大型有限元分析软件ANSYS建立了三种磁路模型,计算了放电室内的磁场分布,得出三种方案中电子回旋共振面的位置,分析放电室材料不同时磁场分布的变化;最后采用ANSYS有限元分析软件计算了放电室内的电磁场分布。结果表明,在电子回旋共振面上微波能量满足放电所需能量。计算结果可以为电子回旋共振推力器放电室的设计提供帮助。     

电子回旋共振等离子体推力器放电机理数值模拟研究

电子回旋共振等离子体推力器(ECRPT)是一种高比冲、高效率且结构简单的新型电磁式推力器。为了研究推力器的放电原理和工作机制,采用漂移-扩散流体模拟方法,仿真模拟了微波等离子体放电过程。仿真结果表明,电子数密度达到10~(16)~10~(17)m~(-3)数量级,氙气的电子数密度比氩气高50%;电子数密度、碰撞功率损耗均随着计算域内压强的增大而增大,电子温度随压强的增大而减小;电子数密度、碰撞功率损耗随着入射微波功率的增大而增大。在未来ECRPT的实际应用中,可以通过使用氙气,适当增大推力器腔内压强以及入射微波功率,使其具有最佳的推力、比冲和工作效率。     

电推力器中复杂电场求解的超松弛并行算法

目前,电推力器中复杂电场的三维泊松方程求解仍存在速度偏慢、并行性欠佳等缺陷。通过分解三维求解区域,针对复杂电场提出一种超松弛并行迭代算法。将求解区域划分为多个子块,利用超松弛迭代格式构造出若干分组显式格式,分别给出不同迭代步数下的求解方程以进行并行计算。通过数值模拟,计算时间至少缩短一半以上,该P SOR方法较传统迭代格式在快速性方面取得较大进展,对电推进领域的数值仿真研究起到促进作用。     

电子回旋共振离子推力器栅极光学系统的PIC/MCC模拟

为了寻求日益昂贵的电推力器工质氙气的替代品,探讨氩气作为电子回旋共振离子推力器工质的适用性,采用混合PIC方法模拟了氩等离子体在栅极光学系统中输运过程,分析了氩离子束流的聚焦效果、氩等离子体的空间分布和流动特性。结果表明:氩离子束流在已有栅极系统中具有良好的聚焦效果;束流中CEX离子仅占离子总数的万分之一,影响较小;氩气作为工质时,离子喷射速度为75km/s,加速栅极后回流速度为38km/s,与电动力学理论预估值一致。     

微型固体姿控发动机微喷管内气粒两相流动规律的CFD-DSMC研究

微型固体姿控发动机在航天领域具有广泛的应用前景。以基于MEMS技术的微喷管为研究对象,首先通过计算微喷管中的克努森数,得到了微喷管中的气相流动状态;然后,采用CFD-DSMC方法,模拟了微喷管中的气粒两相流动,并研究了颗粒相质量分数和粒径对气相流动的影响。结果表明,在所研究的来流条件下,微喷管中的连续介质假设是成立的;气相与颗粒相间的动量和能量交换,导致气相马赫数降低、温度升高,同时也导致颗粒相速度增加、温度降低;颗粒相质量分数和粒径均能显著影响气相的马赫数和温度。     

微空心阴极放电机理及其在电热式推力器中的应用

近年来,微空心阴极放电（MHCD）技术的发展为研制适用于小卫星的先进新型微推力 器提供了可能。MHCD是微放电领域中一种新颖的非平衡高气压辉光放电,其优点是可以在高 气压下稳定放电,并且只需要非常低的电压（几百伏特）或者输入功率（百毫瓦数量级）。 本文针对MHCD,实验研究了微放电的电流-电压特性,并利用光学发射光谱的方法测量了微 等离子体中电子数密度和中性气体温度。结果表明,在稳定的辉光放电下,MHCD孔内的电子 数密度和中性气体温度随着压强和放电电流的增加而增大,电子数密度可达
10 14 cm -3 ,中性气体温度可达1000K。由此可以推断,微空心阴极放电较小 的尺寸结构与强烈并可控的气体加热相结合,完全可以开发应用在新型的电热式等离子体推 进上,研制成微空心阴极放电等离子体推力器。由于在微放电等离子体中加热了工质气体, 因此其性能可大大高于冷气推进。