用发射探针确定等离子体空间电位的实验研究

实验研究了空间电荷对发射探针确定等离子体空间电位的影响,探讨确定等离子体空间电位的可靠方法。结果表明,发射探针之统发射电流趋于零之点更接近于等离子体的空间电位。      

磁层电场仪前端信号处理电路研究

针对磁层稀薄等离子体环境中的电场测量,设计了一种电场仪前端信号处理电路方案.双探针电场仪通过向等离子体输出驱动电流,测量两探针间的电位差,从而测量空间电场的探测仪器.在磁层稀薄等离子体环境下,等离子体阻抗较高,电场仪探针将工作在较高的工作电压上.若探针电压接近或超过电路耐压值,则可能会影响探测结果,甚至损坏电场仪.本文结合低偏置电流的电压跟随方案和反馈悬浮电源控制方案,解决了稀薄等离子体环境中电场测量的弱电流采样和高动态电位处理问题,并采用低噪声元件和特殊电路设计,控制电路噪声.测试结果显示,本方案可使探针适应±100V的悬浮电位,实现150kHz带宽的电场信号测量,且噪声小于14nV·mHz-1/2,满足目前空间电场仪测量精度需求.      

材料次级电子发射特性对表面充电影响的数值计算研究

表面充电是最早被人们发现的空间环境效应, 是由空间环境引起的航天器异常和故障的主要诱因之一. 采用较精确的金属二次电子发射公式和局部电流平衡模型, 在无光照的情况下, 对不同表面材料及不同几何形体的航天器表面充电电位进行计算, 并绘制了表面材料的充电电位与最大二次电子发射系数之间的关系曲线. 根据数值计算结果及次级电子发射系数和曲线图得知, 航天器阴面充电电位与表面材料的原子序数、最大二次电子发射系数和入射离子引起的次级发射系数均有关. 该计算对航天器表面材料的选取和设计工艺有一定的参考价值.      

利用Langmuir探针诊断激波管高温高密度等离子体

利用Langmuir探针诊断等离子体参数的基本原理,对由激波管产生的高温等离子体进行了密度诊断,实时得到了较为完整的等离子体伏安特性曲线,并通过数据处理得到等离子体电子温度、电子密度参数等。比较了激波马赫数9Ms~24Ms范围内,Langmuir探针与离子探针收集法电子密度测量结果,二者的差异较小,且具有相同的变化趋势,因此验证了采用本实验装置诊断等离子体的可靠性和正确性,为高温高密度等离子体的研究提供一种有效的诊断手段。     

探针特性曲线的初级电子修正及用离子声波速度测电子温度的研究

在Te》Ti,且存在两种电子能量的等离子体中,讨论了正确进行朗缪尔探针特性曲线修正——初级电子修正方法;用朗缪尔探针方法得到的等离子体电子温度与离子声波速度测量得到的电子温度分布实验结果比较证明,提出的初级电子修正方法是正确的．实验结果还表明,用离子声波速度测量得到的电子温度误差较小,平均测量误差△Te大约只有0．1eV,有望成为一种可行的电子温度测量方法．     

基于BP神经网络的GEO等离子体环境参数反演分析

空间等离子体环境诱发的表面充电效应会对航天器运行产生干扰,严重时将导致太阳电池等部件失效。通过神经网络反演方法,以GEO环境中介质表面充电电位曲线作为输入,在双峰麦克斯韦分布假设下,可以逆向得到高能峰的等离子体参数。分析了GEO等离子体环境参数对表面充电电位曲线的影响,表明高能峰在充电过程中起决定性作用;其次通过MATLAB搭建BP神经网络,采用COMSOL计算得到多组充电曲线进行网络训练和反演计算,得到等离子体密度反演的平均相对误差为0.42%,温度反演的平均相对误差为0.03%,整体误差在0.1%～5.6%。结果表明,采用神经网络对等离子体环境进行反演具有可行性,该方法可以作为空间等离子体环境探测结果的对比参考和航天器非探测点表面电位计算的输入条件。     

电弧加热发动机羽流电子温度的探针诊断

电弧加热发动机(Arcjet)由于其比冲远高于传统的使用化学推进剂的发动机,近年来引起了愈来愈多的关注。文章建立了一套在真空环境下利用静电探针诊断技术测量Arcjet羽流电子温度的实验装置, 并且对以氩气为工质的 Arcjet 的羽流进行了测量, 得到了羽流电子温度的轴向和径向分布情况, 以及电子温度随电弧电流和工质流量变化的趋势。实验结果表明Arcjet羽流轴线处的电子温度远大于重粒子温度。     

利用微加工工艺提高空间行波管收集极效率

针对二次电子发射系数对空间行波管收集极效率的影响,通过降低二次电子发射系数的方法,提高收集极的效率。并以无氧铜为例,使用化学刻蚀的方法对无氧铜样片进行表面处理,得到规则微孔阵列结构。使用二次电子发射测试平台对有无表面处理的无氧铜样片进行测量。测量结果显示,经化学刻蚀处理后的样片的最大二次电子发射系数由1.33减小到0.96,二次电子发射抑制效果明显。将测得的两个二次电子发射系数曲线用于空间行波管收集极的模拟设计中。选用已有的3个收集极结构模型,使用模拟软件进行仿真并计算收集极效率。结果表明,3个收集极结构模型的效率分别由原来的80.1%、57.5%、42.1%提高到82.55%、62.6%、59.2%。该结果对于空间行波管收集极的设计具有重要参考价值。     

利用静电双探针对辉光放电等离子体诊断分析

阐述了利用Langmuir双探针诊断等离子体参数的基本原理,对圆柱腔中的空气辉光放电等离子体进行了双探针诊断,通过实验测得伏安特性曲线,计算得出等离子体密度和电子温度。分析了密度参数变化与放电电流大小之间的关系。最后将诊断结果与准光腔系统进行比较,二者虽略有差别,但差别不大,且变化趋势一致。验证了采用本双探针系统诊断辉光放电等离子体密度的可靠性。     

朗缪尔探针在轨快速除污染技术研究

讨论了一种朗缪尔球形探针在轨快速去除表面污染的技术方法. 朗缪尔探针是空间等离子体原位探测的一项重要手段, 广泛应用于各种航天器. 探针传感器表面被污染时, 会造成探针I-V特性曲线失真, 从而导致探测获得的等离子体参数产生偏差. 通过试验验证了采用探针传感器加载高压的技术, 其可快速有效清除传感器表面污染, 确保朗缪尔探针在轨探测获得实时、准确的空间等离子体信息.      

霍尔推力器分割高偏压电极等离子体放电特性

霍尔推力器通道等离子体与壁面有很强的相互作用,为了降低壁面腐蚀,提高在轨寿命, 针对推力器全通道放电过程建立二维物理模型,采用粒子模拟方法（Particle In Cell）,数值研究了电离区壁面分割高于阳极偏压的低发射石墨电极对推力器放电特性的影响,讨论了放电通道电势、离子数密度、电子温度、电离速率及比冲的变化规律。结果表明：在电离区不同位置分割高偏压电极对等离子体放电特性影响明显,电极位置在电离区前端时,电极偏压高于阳极电压60V时通道内放电等离子体参数几乎不变。而电极位置在电离区末端,电极偏压高于阳极电压18V时就会导致加速区轴向扩张,离子聚焦效果强,电子温度显著升高,电子与壁面相互作用减弱,羽流发散角减小。由此推力器比冲提升约12%,寿命延长,性能提高。     

微波干涉仪测量羽流电子密度反演方法

利用微波干涉仪进行推进器羽流密度测量的反演方法研究.重点针对羽流等离子体密度反演的Abel逆变换数值求解,采用离散化算法、三次样条插值算法、Hankel-Fourier算法以及Nestor-Olsen算法等四种方法进行仿真分析和比较.通过对这四种方法在无噪声和有噪声两种情况下反演误差的比较,找出适用于实际干涉仪数据处理的方法;通过对采样点数和反演之间的关系分析,给出解决欠采样问题的方法和数值参考;在分析比较的基础上,总结数值处理的必要步骤.利用模拟实验测试数据进行验证并对反演结果进行分析.      

离子发动机羽流二维轴对称数值模型与验证

为了解离子发动机羽流特别是交换电荷离子(CEX,Charge-Exchange)的分布和流动特性,建立了离子发动机羽流的物理模型,采用粒子网格(PCI,Particle in Cell)方法对2种型号的离子发动机羽流场进行数值模拟计算,与其地面实验数据进行对比分析.结果表明:在CEX离子密度大小及分布、电势的大小及最大电势梯度的位置、CEX离子流动角方面,模拟结果同实验结果符合得相当好.在电势结构方面,由于舱壁电势的影响,模拟结果同实验结果相比有一些差别.羽流模型和计算结果为相关羽流实验和数值模拟研究提供参考.      

自身场磁等离子体推力器数值仿真流场特性分析

磁等离子体推力器以其推力大、比冲高等特点,成为未来深空探测、星际航行任务首选的电推力器类型,研究推力器内部等离子体流场特性,有利于解释推力器出现的物理现象。针对特定自身场磁等离子体推力器,建立磁流体模型,使用TVD Lax-Friedrich格式以及ADI方法对推力器内部及羽流进行数值求解,得到等离子体流场及等离子体参数分布情况,仿真结果显示在高电流工况下,等离子体羽流更加集中,轴向加速效果更加显著,但高电流模式下阴极温度较高,不利于阴极的使用寿命。     

微阴极电弧推力器羽流探针诊断研究

微阴极电弧推力器（micro-cathode arc thruster,μCAT）具备功率低和结构简单的特点,能够满足微纳卫星的任务需求,具有良好的发展前景。μCAT羽流的诊断可以揭示推力器的加速机理,对提高其性能具有重要意义。利用朗缪尔三探针对μCAT羽流进行诊断,得到了μCAT羽流不同位置的电子温度、电子密度和离子速度等羽流特性,研究了外加磁场、充电时间和阴极材料对羽流特性的影响。研究结果表明,μCAT放电初期产生的等离子体电子温度较高,密度较大;随着等离子体向下游运动,电子温度和电子密度降低,离子速度增大;外加磁场的磁感应强度越强,电子温度和离子速度越高,电子密度有所降低;磁场位置适当向推力器下游平移,能够有效提高推力器中轴线的电子密度;μCAT充电时间越长,电子温度、电子密度和离子速度越大;相比于CuW和AgW阴极,Ti阴极羽流的电子温度更高,电子密度更低。     

霍尔推力器在轨羽流图像诊断方法

为便于霍尔推力器羽流在轨诊断测量,文章提出了一种基于光谱诊断衍生出来的图像诊断方法。首先对推力器羽流进行光学图像采集,然后提取出能够反映羽流不同谱段光强信息的红绿蓝三通道数据;同时结合相机成像原理分析,得到不同通道的像素点灰度值与羽流光谱强度的对应关系;并且基于光谱碰撞辐射模型,建立了羽流图像计算模型。研究结果表明,利用图像诊断方法计算得到的羽流区电子温度和离子密度分布规律均与探针试验结果相吻合,计算的相对不确定度分别约为20%和15%,说明了该诊断方法精度适中,具有较高的可靠性,适用于在轨诊断霍尔推力器羽流等离子体参数。     

溅射靶对离子推力器的热辐射影响研究

为了研究真空环境设备内溅射靶温度升高后对30 cm离子推力器的热辐射影响,采用有限元分析的方法,首先对真空舱内的离子推力器羽流分布进行了模拟,在获得羽流对溅射靶造成的温度变化后,进一步分析了溅射靶温度升高对离子推力器温度以及栅极热形变位移所造成的影响.仿真结果显示,推力器羽流可采用定向分子流模型进行描述,羽流在真空舱内...     

背景压强对电推进羽流场影响的数值模拟

真空舱内背景压强是电推力器地面试验过程中影响工作性能评估和羽流场参数诊断的重要参数。针对LIPS-200型离子推力器羽流场参数的数值仿真中采用的背景压强建立方法进行了仿真分析。仿真中采用混合粒子网格(PIC)方法和直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法处理羽流场中等离子体运动和粒子间碰撞,分别采用虚拟粒子和计算粒子建立压强的方式,对电推进羽流场进行了数值模拟,并与绝对真空环境进行对比分析。结果表明:背景压强的存在导致中性粒子和电荷交换离子数密度较绝对真空环境高1个量级以上。虚拟粒子可大幅提高计算效率,获得的流场中电荷交换离子分布与计算粒子结果相近,但中性粒子分布相差较大,虚拟粒子无法表征壁面及真空泵的影响。      

立方体式考夫曼离子推力器极靴结构设计

考夫曼离子推力器因具有高比冲、高效率、长寿命等特点,是应用于航天器电推进类型之一。过去研究主要集中在轴对称柱状结构考夫曼离子推力器,然而对于未来模块化立方体卫星,立方体构型推力器非常适合多推力器的组合、多推力器羽流集中中和,结构紧密并且减少航天器附件。为此,基于自主设计的立方体式考夫曼离子推力器,采用三维数值仿真方法对推力器放电室进行了计算分析,获取了不同阴极极靴内径下推力器放电室磁场分布,对比研究了不同极靴构型下放电室电子密度分布和电子温度分布。结果发现,增大阴极极靴内径使得磁场分布均匀性变差,放电室内壁电子温度升高,电子损耗增大,放电室出口离子密度降低。因此,对于本立方体考夫曼离子推力器,长宽高为15mm×12.5mm×15mm的阴极极靴构型最佳,既可保持较低的壁面电子温度,又有利推力器出口的离子均匀性。