磁屏尺寸对霍尔推力器性能影响的仿真研究

磁屏作为霍尔推力器磁路系统的重要组成部分,其尺寸对磁感应强度分布具有重要影响。为探究其中的影响规律,以一台低功率霍尔推力器为研究对象,首先采用Maxwell有限元方法软件对磁屏在不同的轴向和径向尺寸下形成的磁场进行仿真,结果表明一组尺寸使推力器磁场位形达到最优。然后以该尺寸作为设计标准,采用PIC方法对霍尔推力器在阳极电压及气体流量分别为200 V及0.8 mg/s条件下放电通道内等离子参数分布进行仿真。最后根据离子速度和数密度等参数,计算得到推力器的推力、阳极比冲和阳极效率分别约为6.9 mN、880 s及41.89%。该仿真为霍尔推力器的磁场设计提供理论依据,为未来的实验研究提供数值参考。     

磁屏蔽霍尔推力器技术的发展与展望

磁屏蔽霍尔推力器技术是近年来霍尔推进领域最具影响的创新突破,对于拓展霍尔推力器的应用范围,提高推力器的寿命具有重要意义。介绍了磁屏蔽霍尔推力器的原理及优缺点,从磁屏蔽的提出与验证、不同功率量级霍尔推力器的磁屏蔽技术以及磁屏蔽霍尔推力器热设计、背景压力敏感性、振荡模式转换等方面介绍了磁屏蔽的研究现状,并对未来磁屏蔽霍尔推力器技术的发展进行了展望。     

磁屏蔽装置与磁场模拟器的耦合分析

地磁导航半实物仿真是地磁导航从理论走向工程应用的关键环节,而地磁场环境仿真技术是地磁导航由计算机仿真过渡到半实物仿真的桥梁。针对地磁场环境仿真系统中磁屏蔽装置与其内部磁场模拟器的耦合问题,采用仿真分析与实验验证相结合的方法,利用Ansoft Maxwell仿真软件设计仿真实验对二者的耦合关系进行了探索性研究,并基于小型地磁场环境仿真系统对仿真得到的结论进行了实验验证。仿真和实验结果均表明:磁场模拟器在大电流强磁场的工作情况下会对磁屏蔽装置造成严重的磁化,进而会影响其屏蔽效果;磁屏蔽装置不会影响磁场模拟器的线性度和均匀性,但是会增大轴线中心点附近的磁场值;磁屏蔽装置会使磁场模拟器的电感增大,从而使实时性变差。研究结论可以为地磁场环境仿真系统的设计提供理论依据。      

基于尺寸优化的霍尔推力器磁路设计方法研究

针对当前霍尔推力器磁路设计主要依靠经验进行人工调节的现状,本文建立了高效率高质量的磁路优化设计方法,解决逐次调节单个磁路尺寸效率低,无法满足日益精细化磁场需求的问题.通过调研经过飞行验证的推力器,明确磁场参数描述方式及范围,提炼出了霍尔推力器设计的磁场准则;在此基础上,采用基于有限元方法的尺寸优化,将磁场要求嵌入磁路优化的约束中;在多约束算法的自动寻优下完成磁路设计.选取具有双磁屏的典型磁路结构形式作为初始磁路,以1.35 kW级推力器进行验证,结果表明,优化后磁路质量减轻34.9%,励磁功率减小5.6%,磁倾角从最大超过20°减小到6°以内,对称性得以改善,最大磁场强度增加8.3%,磁场梯度提高6.4%.本文提出的基于尺寸优化的磁路设计方法适用于各功率级霍尔推力器,允许磁场需求参数在较宽范围内变化并支持同时调节数十个关键尺寸,优化磁路较好地满足了磁场设计需求.     

30cm氙离子推力器磁场特性分析与优化设计

放电室磁场设计直接影响放电室的放电稳定性及推力器在轨工作寿命,针对多种工作模式下30cm氙离子推力器磁场设计的复杂性问题,对推力器电磁体磁场向永磁体磁场转换中放电室的磁场特性进行了研究,并对永磁体磁场的关键参数进行优化设计。建立30cm氙离子推力器放电室磁场转换的磁路模型,运用有限元分析理论,利用实际工程数据验证磁路模型计算结果的正确性与方法的可行性。在此基础上,分析获得给定磁路构型下产生要求磁感应强度的永磁体关键尺寸。以放电室工作阳极震荡电压、减速栅极电流、加速栅极电流和磁路系统质量为目标,采用多目标粒子群优化算法,对永磁体的关键参数进行优化,得到30cm氙离子推力器设计性能目标下的磁路构型最优结果。本研究可为高效、稳定工作的离子推力器磁路设计及优化提供方法。     

微阴极电弧推力器磁路设计

微阴极电弧推力器是一种利用真空条件下放电电弧烧蚀阴极材料产生较高电离度的高速等离子体,并在外加磁场作用下喷出以产生推力的微型电推力器。微阴极电弧推力器磁场设计是推力器设计中的重要工作之一,将影响推力器工作稳定性和工作性能。分别采用多匝通电螺线管计算公式、二维和三维数值仿真完成磁路设计,磁感应强度随线圈电流和线圈匝数增加而变大;当线圈电流15A、线圈匝数为600匝时,放电通道中心线磁感应强度最大值超过0.3T;采用特斯拉计测量磁感应强度,仿真结果与测量结果吻合较好。最后采用时间飞行法（TOF）测得等离子体速度随磁场增强而增加。     

真空与磁场热处理改善FeCo合金的软磁性能

针对发电机中转子用FeCo合金(国产牌号1J22)进行了组织结构与磁性能的研究.通过对该合金进行真空处理以及磁场热处理,研究了组织结构对软磁性能的影响规律;研究了附加磁场强度以及热处理温度对磁场处理效果的影响,并结合该合金的磁致伸缩伸缩系数的变化规律,分析了磁场热处理效果的微观机制.当合金组织为轧制态时,磁场热处理效果不明显;在合金的再结晶温度以上进行磁场热处理时,获得了显著的磁场热处理效果,矫顽力下降至72A/m(0~9Oe)以下.     

超磁致伸缩超声换能器的磁路优化设计

为了改善磁路环境,最大限度地降低超磁致伸缩超声换能器的发热,将磁路间隙作为研究对象,采用Maxwell有限元软件对磁路间隙与超磁致伸缩材料（GMM）棒的磁场强度的关系进行了分析,并通过实验对超声换能器的阻抗和振幅,以及GMM棒的温度进行了测量。结果表明:随着磁路间隙的增大,GMM棒的磁场强度和磁场均匀度减小;随着导磁圆筒槽宽的增大,超声换能器的谐振频率基本一致,GMM棒的温度减小。当导磁圆筒的槽宽约为6 mm时,该GMM棒的磁场均匀度最高,机械品质因数最大,这对超磁致伸缩超声换能器的优化设计具有重要的意义。      

基于矢量磁强计的磁场梯度张量仪误差校正方法

卫星在轨运行时,本体会产生一定的磁干扰,一般通过伸杆将传感器远离卫星本体安装,或者通过多个磁场传感器测量磁场梯度的方法来消除卫星本体的磁干扰.使用磁场梯度张量仪测量磁场梯度时,张量仪本身的构型会给测量带来误差.通过对5种主要的张量仪构型进行误差仿真,对比5种构型的张量测量误差,发现十字形构型张量仪的测量误差最小.除了构型带来的误差,张量仪的主要测量误差还包括组成张量仪的三轴磁强计本身的误差和非对准误差.本文使用椭球拟合算法对磁强计本身的误差进行校正,校正后磁强计测量总场的均方根误差为0.864nT.针对张量仪的非对准误差,提出了正交系间非对准误差的校正方法.仿真结果表明,校正后的非对准角度误差≤3.2×10-5 rad,能够很好地降低张量仪的非对准误差.      

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。     

金刚石对霍尔推力器通道壁面抗溅射性能的影响

为了提高霍尔推力器的寿命,提出将放电通道内的氮化硼陶瓷材料换为金刚石的方法,以此来提高推力器的抗溅射性能。文章主要通过研究金刚石对推力器磁场的影响及其二次电子发射特性,分析了以金刚石作为通道壁面的可行性。文章还采用称重法对镀上金刚石的氮化硼陶瓷靶材试件进行离子轰击溅射试验,使用半经验公式求出金刚石的溅射产额与离子入射角度的关系,并应用粒子运动模拟程序预测金刚石壁面通道半径的变化,得到壁面削蚀速度。试验结果表明,金刚石在不同入射角度下的溅射产额比氮化硼陶瓷相对减少75%。壁面轮廓模拟结果表明,金刚石能使通道壁面的削蚀情况得到改善,0.7mm厚的金刚石可以抵抗大约5000~6000h的溅射削蚀,对于提高霍尔推力器的寿命有一定的意义。     

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。     

高比冲霍尔推力器启动特性研究

高比冲霍尔推力器从霍尔推力器研制初期就得到重视,但是与工程应用相关的参数对比、电流变化和振荡特性特的研究较少。通过测量推力器在不同工况下推力大小、电流变化和电流振荡波形,给出了HET 80HP高比冲霍尔推力器的性能特点和启动特性。研究结果表明,HET 80HP高比冲霍尔推力器相对于传统霍尔推力器,在较大流量和较高放电电压工况下具有更好的性能。冷启动时,正常磁场情况下放电电流存在电流尖峰,并且需要较长的时间才能达到相对稳定。不同磁场位形热启动情况下电流的变化过程表明,电流尖峰是否存在主要与磁场位形有关,启动时温度的高低与电流尖峰是否存在没有明显关系。此外,通过对比不同磁场下推力器比冲和平均频率的变化可知,推力器低频振荡平均频率的高低能够较好地反映推力器比冲的大小。     

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。     

MPDT超导磁喷管外部磁场影响分析

由于传统提供附加磁场的液冷铜线圈存在体积大、质量大、电耗大等显著缺点,因此电流密度高、体积小、损耗低的高温超导（HTS）磁体在附加场磁等离子发动机（AF MPDT）上的应用受到了广泛的关注。然而由于超导材料的临界特性,HTS磁体容易受到外部磁场的影响而发生失超。文章通过对MPDT放电回路的简化,采用仿真和试验的方法来分析简化回路通电时激发的磁场,并研究其对外围HTS磁体的影响程度。仿真结果表明,MPDT放电室内部磁场以周向磁场为主,且由于阳极壁面电流对内部磁场的屏蔽作用,使得外部几乎没有磁场分布。试验结果和仿真也取得了良好的一致性,因此在设计超导磁喷管时几乎可以不考虑来自MPDT放电室磁场的影响。该研究为HTS磁体在AF MPDT上的应用提供了参考。     

离子推力器羽流热效应仿真分析

离子推力器工作时向外喷出的羽流与航天器表面碰撞,会引起敏感材料热变形等热效应,严重时会导致航天任务失败。针对兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200型离子推力器羽流热效应进行了仿真分析。仿真中,使用粒子网格（PIC）方法处理等离子体运动,使用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法处理粒子间碰撞,使用Maxwell模型处理粒子与壁面的能量交换,对电推进羽流热效应测量中的部分测点进行了数值模拟。结果表明,仿真结果与实验数据符合较好,离子推力器出口轴线上滞止热流仿真值与实验测量值误差小于17.0%。此外,热流计对流场的影响主要集中在热流计附近0.1 m范围内,对整体流场影响较小。      

Effect of matching between the magnetic field and channel length on the performance of low sputtering Hall thrusters

Discharge characteristics of a non-wall-loss Hall thruster were studied under different channel lengths using a design based on pushing a magnetic field through a double permanent magnet ring. The effect of different magnetic field intensities and channel lengths on ionization, efficiency, and plume divergence angle were studied. The experimental results show that propellant utilization is improved for optimal matching between the magnetic field and channel length. While matching the magnetic field and channel length, the ionization position of the neutral gas changes. The ion flow is effectively controlled, allowing the thrust force, specific impulse, and efficiency to be improved. Our study shows that the channel length is an important design parameter to consider for improving the performance of non-wall-loss Hall thrusters.