不同环境温度对30cm离子推力器三栅极组件的离子刻蚀速率影响分析

为了对不同环境温度造成的30cm离子推力器三栅极组件离子刻蚀速率的影响进行分析,采用有限元仿真与试验验证相结合的方法,计算并试验验证了不同环境温度下的三栅极组件热平衡温度以及栅极间的相对位移变化,采用流体方法模拟了不同环境温度(20℃,-70℃,-120℃和-170℃)对三栅极组件的刻蚀影响,并结合短期寿命试验结果进行验证。结果显示:随着环境温度的降低,屏栅达到温度平衡的时间无变化,而加速栅温度平衡所需的时间则明显延长,20℃下的屏栅和加速栅热仿真结果与室温下推力器热平衡试验结果比对误差分别为7%和5%;其次环境温度的降低,会导致屏栅与加速栅的中心间距和边缘间距均缩小,而加速栅和减速栅的边缘间距却逐渐拉大,仿真结果与栅极热间距摄像测量结果符合性较好;根据三栅极组件的栅孔径扩大率随环境温度变化的计算结果来看,加速栅中心和减速栅边缘是离子刻蚀的主要位置,轰击至加速栅中心区域的离子数速率约是边缘的3倍,而轰击至减速栅边缘区域的离子数速率是中心的2.5倍,且环境温度的降低对加速栅中心区域离子刻蚀的影响更为强烈;经2100h的寿命试验验证,仿真结果与试验结果基本符合,误差经分析认为主要来自于流体方法的参数设置过程以及栅孔壁面均匀刻蚀的计算假设。     

30cm离子推力器栅极组件热应力及热形变计算模拟

为了降低30cm口径离子推力器栅极组件工作时的热形变位移,采用材料力学分析以及有限元分析方法研究了边缘不约束和边缘约束下的栅极组件热应力分布以及热形变位移,提出了相关的热应力降低措施并进行了模拟验证。结果显示,将栅极等效为圆形平板且边缘无约束时,水平方向的拉伸应力引起的最大热形变位移约为0.3mm,栅极几何中心处的热应力最大,约为1.5MPa,法线方向的热形变位移基本为0;将栅极等效为圆形平板且边缘约束时,最大挠度出现在结构几何中心处,约为1.255mm,水平方向最大拉伸形变量为0.01mm,理论计算值与仿真结果基本一致,且真实栅极拱形结构在此约束条件下会产生更大的热形变位移,可能导致栅极的聚焦性能变差以及栅极之间的短路现象;热设计改进措施验证表明降低结构的整体温度并且更换热膨胀系数较低的材料是减小热形变位移的较好措施。     

20cm口径离子推力器栅极组件结构性能分析

为了对20cm口径离子推力器栅极组件开展结构性能模拟分析,通过材料力学分析方法对栅极组件进行结构等效处理并进行验证,利用ANSYS有限元软件得到推力器的模态分析结果和栅极组件的模态振型,并开展基频扫描试验验证模态分析结果的正确性,最后模拟了推力器在1600g冲击载荷作用时,栅极组件的应力分布和形变结果。结果显示:将栅极组件等效为拱高不变且无孔的结构后,屏栅等效弹性模量为20.79GPa,加速栅等效弹性模量为89.43GPa;栅极组件表面的螺栓预应力大约在20～33MPa范围之间;模态分析结果显示,大于320Hz的振动频率时,栅极组件会出现较大的结构变化;通过10～1000Hz的基频扫描试验得到推力器基频在168Hz,分析结果(185.23Hz)相比误差约10%;1600g的冲击载荷作用下,栅极组件边缘处最大形变达到约0.27mm,且表面边缘处的应力相对中心处较大,更容易发生破裂。     

三栅极离子推力器电子反流失效影响参数的敏感性研究

电子反流失效模式是离子推力器关键失效模式之一,决定推力器工作寿命。为明确各参数对电子反流失效模式的影响程度,确定加速应力,为地面加速寿命实验验证方案和长寿命优化设计提供数据支持,采用Hybrid-PIC-MCC (Particle in Cell-Monte Carlo Collision)方法,构建了三栅极系统数值仿真模型。采用模型研究了地面真空舱本底压力、屏栅电压、加速栅电压、屏栅与加速栅间距、屏栅上游等离子体密度和放电室工质利用率等参数的影响敏感度对比。研究结果显示,真空舱本底压力可以作为加速寿命试验的首选加速应力,在推力器结构和工作本征参数中工质利用率为最敏感应力,其次是屏栅电压、屏栅上游等离子体密度、加速栅电压、屏栅和加速栅间距。     

基于Matlab/Simulink的离子推力器输入参数设计模型研究

离子推力器的输入参数设计直接决定其工作性能以及寿命,为了有效降低在前期设计阶段,由于输入参数设计缺陷导致的输出性能和预估寿命不一致性,以及后期优化改进所带来的风险及高昂成本,根据离子推力器工作过程的宏观描述以及寿命理论预估方法,基于Matlab/Simulink建立起离子推力器输入参数设计模型,实现了根据推力、比冲、效率等设计指标完成输入参数计算以及寿命预估的目的。结果显示:以30cm离子推力器为例,根据参数设计模型得到5kW额定工况下的关键输入参数与目前实际输入参数的比对误差均在5%以内,而模型得到的关键指标参数与冷启动试验测试值的比对误差同样在5%以内,3600h后的加速栅孔径刻蚀计算结果与试验结果比对误差在10%以内,证明了离子推力器输入参数设计模型的合理性,输入参数设计模型可用于后续同类型离子推力器的早期输入参数确定以及设计指标匹配性评价。     

三栅极离子推力器电子反流失效影响参数的敏感性研究（空间推进专刊）

针对电子反流失效模式主导的三栅极离子推力器加速寿命试验加速应力选择及长寿命优化,需要开展影响参数的敏感性对比研究,采用Hybrid-PIC-MCC（Particle in Cell- Monte Carlo Collision）方法,构建了三栅极系统数值仿真模型。采用模型研究了地面真空舱本底压力、屏栅电压、加速栅电压、屏栅与加速栅间距、屏栅上游等离子体密度和放电室工质利用率等参数的影响敏感度对比。研究结果显示真空舱本底压力可以作为加速寿命试验的首选加速应力,在推力器结构和工作本征参数中工质利用率为最敏感应力,其次是屏栅电压、屏栅上游等离子体密度、加速栅电压、屏栅和加速栅间距。研究结果为三栅极离子推力器地面加速寿命试验验证方案设计和长寿命优化设计提供了数据支持。     

离子推力器栅极极限寿命优化

离子推力器的极限寿命最终取决于栅极的极限寿命。针对LIPS-200离子推力器延长寿命到20000h以上的工程应用需求,在分析离子推力器极限寿命所对应关键失效模式及磨损机理的基础上,基于加速电压能够有效调节关键失效模式发展进程的工作机制,提出了具有普适性的离子推力器栅极极限寿命优化的恒定加速电压方法和步进调节加速电压方法。结合LIPS-200离子推力器寿命试验的过程及最终结果数据,在完全继承推力器现有技术状态和成熟度的前提下,采用恒定加速电压方法可以将推力器的极限寿命从现有的14649h提高到17300h,采用步进调节加速电压方法可以将推力器极限寿命提高到20400h,从而实现LIPS-200延长寿命目标。     

离子推力器加速栅寿命概率性分析

交换电荷离子对加速栅极的溅射腐蚀是离子推力器的关键失效模式之一,基于交换电荷离子对加速栅溅射腐蚀的物理机理,对离子推力器加速栅工作寿命进行了概率性建模。利用该模型对20cm Xe离子推力器加速栅寿命和其达到预期寿命的可靠度进行了评估。结果显示加速栅的寿命近似服从高斯分布,当推力器工作环境压力近似6.7×10-3Pa时,加速栅工作寿命达到3kh的可靠度为0.9352。     

磁路对30cm离子推力器性能影响研究

为了研究磁路结构对与新型GEO平台配套的30cm离子推力器(LIPS-300)性能的影响,采用PIC-MCC数值模拟方法对LIPS-300在其典型工作点下的放电损耗和束流平直度进行了研究,其中输入磁场采用有限元软件Maxwell计算得到,另外还利用Maxwell研究了磁体尺寸对侧壁磁环对产生的磁场等值线的影响。结果表明在LIPS-300的典型工作点下,4极场推力器比3极场推力器放电损耗高3%,分别是164W/A和160W/A,束流平直度高30%,分别为0.65和0.50。利用较厚较窄的磁环能够获得更大的无场区体积。因此,采用4极场将获得更好的推力器性能,采用较大厚度/宽度比的磁体有利于推力器束流平直度的改进。     

离子推力器变孔径栅极方案数值研究

为了改善发散场离子推力器束流均匀性,提出与放电室等离子体密度和电子温度分布相匹配的变孔径栅极设计方案。采用粒子云网格法(PIC)和蒙特卡洛碰撞(MCC)结合的数值计算方法(PIC/MCC)对变孔径设计方案进行仿真,并与现有设计仿真结果进行对比,分析两种设计不同分区电势、离子密度和束流平直度等参数特性。计算结果表明,相对于现有设计,变孔径设计栅极中心区域轴向电场强度变小,鞍点电势绝对值降低1.8V,离子聚焦点内移,离子密度降低,束径变小;边缘区域电场强度增大,聚焦点外移,离子密度提高,束径增大。引出束流发散角变小,平直度由原来的0.41提升至0.57,离子推力器可靠性得到有效提高。     

30cm离子推力器在轨环境下的工作点及热控措施研究

栅极间距变化是影响离子推力器在轨环境下从冷态条件正常点火启动的重要因素,同时也决定了离子推力器的在轨工作时机和热控实施策略。本文采用有限元仿真与地面热平衡试验验证相结合的方法,建立起30cm离子推力器有限元分析模型并进行了模型校验,之后对离子推力器在轨受太阳光照影响的栅极温度场分布和间距变化,以及推力器在5kW工况下的三个典型温度点所对应的栅极间距变化进行了仿真分析,最后考虑了主动热控干预对推力器最恶劣工作点的栅极间距变化影响。结果显示：纯太阳光照影响下的栅极组件存在周期性温度变化,栅极最大温差可达到100℃,栅间距缩小量在0.06mm~0.16mm范围内波动;在太阳光照基础上实施60W的主动热控后,栅极最大温差降低至60℃,栅间距缩小量波动范围则变为0~0.03mm;栅极最高温度点和最低温度点分别是推力器冷态启动最容易和最困难的两个工作时机点,两点所对应的启动后屏栅和加速栅最小间距分别为0.22mm和0.04mm;在10W、70W和120W的热控加热功率下,从最低温度点启动后的屏栅和加速栅最小间距分别为0.06mm、0.20mm和0.29mm;采取主动热控措施能够有效降低推力器工作过程中的栅极热形变位移峰值,且加热功率为120W即温控点温度为50℃的主动热控可以满足30cm离子推力器在轨冷态启动时的0.25mm安全栅极间距要求。     

30cm离子推力器空心阴极发射体区等离子体特性研究

为了获得30cm口径离子推力器20A额定发射电流空心阴极的稳态工作性能参数并验证现有发射体结构设计的合理性,采用数值模拟及有限元分析方法研究了空心阴极发射体区的等离子体特性参数。结果显示:空心阴极发射体区的压强基本在115~150Pa内,并且中间区域的Xe气压强较高;当阴极发射体温度为1570℃时,根据一维热传导方程得到发射体热损为10.26W;发射电流为15A时,电子温度在1.5~1.7e V内,且沿轴线方向靠近阴极顶小孔的电子温度较高,而将15A发射电流作为空心阴极的工作点是较为合适的选择;数值计算得到发射体区平均电子电流密度约为1.3×105A/m2,发射体内表面面积预估为1.5cm~2,内径建议在?2~2.5mm内,采用该尺寸发射体的空心阴极通过电流发射能力试验证明其最大发射电流在19~20A内,现有发射体尺寸设计满足20A发射电流需求;发射体区中间区域离子电流密度峰值约为8.5×10~5A/m~2,应重点关注发射体中间区域的厚度设计以及离子溅射腐蚀速率。     

10cm离子推力器放电室性能优化研究

要实现离子推力器较高的效率和比冲等综合性能指标,优化的放电室性能是其首要的前提条件。为了获得10cm离子推力器优化的放电室性能,在放电室初始设计方案基础上,通过对工作参数和结构参数的不同组合试验,开展了性能优化研究,采用的主要手段是关键特征尺寸调节、流率调节和磁场参数的调节。试验获得了不同参数组合的性能变化趋势,得出了优化的放电室结构参数和工作参数。优化后的离子推力器综合性能试验结果表明,在推力15.6m N、比冲3100s的设计工况下放电损耗约为227W/A,放电室工质利用率为91%。     

10cm氙离子推力器变推力特性研究

非重力阻尼的连续、快速、高精度补偿是实现重力梯度测量卫星精细重力场测量的关键技术之一,直接影响到整星工程任务的成败。针对重力梯度测量卫星在轨飞行期间对电推进系统宽范围连续变推力能力的应用需求,分析了10cm氙离子推力器推力调节响应特性。在此基础上,通过对阳极电流、励磁电流和阳极流率等推力高敏感响应参量的组合调节,开展了推力调节试验研究,验证了10cm氙离子推力器宽范围连续变推力调节能力,获得了1～20mN范围内的推力调节性能及其变化规律。试验结果表明：在采用地面供电、供气设备条件下,10cm氙离子推力器能够在100～597W的功率范围内实现0.98～20.29mN的推力宽范围调节,比冲175～3500s,推力分辨率优于50μN。研究为建立10cm氙离子电推进系统的推力控制数学模型及调节控制算法奠定基础。     

20cm离子推力器飞行试验工作性能评价

20cm离子推力器在SJ-9A新技术试验卫星上的飞行试验已经结束,为了检验飞行试验的有效性,十分有必要对离子推力器在轨工作性能进行全面分析评价,以便为后续空间应用提供依据。利用在轨获得的试验数据对离子推力器主要工作参数进行了分析,并通过与地面试验数据进行对比,系统性的评价了其工作性能。评价结果表明,在整个飞行试验期间离子推力器各项工作性能参数符合设计指标要求,其中推力在38~39.2m N,比冲在2900~3200s,功耗小于设计值1080W。飞行数据与地面试验数据吻合很好。