基于小孔投影面积的平面栅极间距测量方法

栅极间距是影响推力器离子束流的发散角、推力大小的关键参数,为了解决栅极组件在装配过程中栅极间距自动检测的技术难题,针对栅极孔径的特殊结构和光线传播的特性,建立了栅极间距和小孔面积的数学模型,提出了基于机器视觉的非接触式平面栅极间距检测方法并搭建试验平台。选取栅极中心孔位进行35次重复试验,该方法的标准差为12μm,具有较高的重复精度。精度验证试验结果表明,该系统精度高于±20μm,满足离子推力器装配过程中的栅极间距测量要求,在实际应用中有望替代现有人工检测方法。     

改善离子推力器束流均匀性的方法

离子推力器的束流分布,直接影响离子推力器离子光学系统（亦称栅极组件）的性能和寿命。通过对离子推力器离子光学系统的改进和放电室磁场的优化,使束流均匀性系数R值达到0.7左右。离子推力器束流分布均匀性的有效提高,有助于改善离子光学系统的受热分布,降低离子光学系统的温度,并能减小其温度差,使离子光学系统的热应力和热变形降低,进而延长离子推力器的寿命。     

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。     

离子推力器欠聚焦冲击电流的数值模拟

离子光学系统的离子束引出过程是离子推力器重要的物理过程,该过程直接关系到推力器的推力、比冲、效率等参数。为研究离子在离子推力器光学系统中的运动特性,使用了基于IFE-PIC（Immersed Finite Element Particle-In-Cell）的离子推力器光学系统离子束引出过程的三维数值计算模型,计算了栅极间电场分布、电荷密度,栅极冲击电流及欠聚焦极限。计算结果表明,当屏栅极电压不同时,发生欠聚焦的等离子束电流也不同。在欠聚焦工况下,一部分离子与栅极碰撞,产生冲击电流。冲击电流随电离室等离子体数密度增加而增大。     

射频离子推力器热特性仿真分析

为了分析射频离子推力器热特性,建立了射频离子推力器整体热模型,基于二维流体模型,对11cm射频离子推力器开展了放电室等离子体仿真,获得了电子温度、电势分布等关键参数;以等离子体仿真结果和实测束电流为输入,获得了各热源的热通量;通过有限元计算获得了关键部组件的温度分布,与实验结果进行了对比分析。研究结果显示:放电室内电子温度约为3.6eV～3.9eV,等离子体电势最高20V,发热损耗主要来自带电粒子轰击放电室壁面和栅极造成的能量沉积、激发原子的热辐射以及射频线圈自身的发热损耗,温度仿真与实测结果一致性良好,最大误差7%,仿真得到的温度分布可以作为输入参数进一步研究栅极受热形变及对束流的影响。     

射频离子推力器热特性仿真分析

为了分析射频离子推力器热特性，建立了射频离子推力器整体热模型，基于二维流体模型，对11cm射频离子推力器开展了放电室等离子体仿真，获得了电子温度、电势分布等关键参数；以等离子体仿真结果和实测束电流为输入，获得了各热源的热通量；通过有限元计算获得了关键部组件的温度分布，与实验结果进行了对比分析。研究结果显示：放电室内电子温度约为3.6eV~3.9eV，等离子体电势最高20V，发热损耗主要来自带电粒子轰击放电室壁面和栅极造成的能量沉积、激发原子的热辐射以及射频线圈自身的发热损耗，温度仿真与实测结果一致性良好，最大误差7%，仿真得到的温度分布可以作为输入参数进一步研究栅极受热形变及对束流的影响。     

配电方式对Kaufman离子推力器性能的影响研究

目前Kaufman离子推力器主要有两种最具代表性的配电方式:屏栅极电源正端分别连接阳极电源正、负端的配电方式。为了研究配电方式对Kaufman离子推力器工作性能的影响,基于等离子体理论和推力器工作原理,分析两种主要配电方式下放电室电极电势及电流平衡关系,推导了放电室等离子体特性表达式,理论分析了配电方式对离子推力器多种性能参数的影响。结合兰州空间技术物理研究所自研的LIPS300离子推力器在两种配电方式下工作在3kW和5kW的性能试验,通过解析方法对离子推力器多种工作参数和性能参数进行分析,试验结果与理论分析结果具有良好的一致性。研究表明:采用屏栅极电源正端连接阳极电源负端的配电方式能够获得更大的推力和比冲,并能提高离子对栅极透明度,减少离子对屏栅极的溅射,从而提高栅极寿命,但束离子产生成本稍高。研究结果可为离子推力器配电方式的设计与优化提供依据。     

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。     

离子推力器双阶栅极系统引出性能研究

针对基于最优导流工况设计的双阶四栅栅极系统在多工况下的引出性能,采用浸入式有限元和粒子云算法(IFE-PIC)对其聚焦和引出过程进行了研究.研究结果表明,相较于相同聚焦电压下的传统栅极系统,基于最优导流工况设计的双阶四栅栅极系统由过聚焦进入正常聚焦的拐点右移,栅极系统的引出性能变差.因此建议双阶栅极离子推力器在设计时使...     

LIPS-200离子推力器放电室出口离子密度分布研究

为了明确国内200 mm口径离子推力器放电室出口(即栅极上游附近)离子密度径向分布,采用实验与数值仿真相结合的方法对LIPS-200推力器放电室出口离子密度进行研究。应用法拉第筒分别测试推力器栅极下游50mm和100mm位置处束流特性,结合经验模型计算出栅极出口(z=0mm)束流离子径向分布。在此基础上,通过栅极数值模拟仿真,分析出栅极系统透过率随栅孔电流变化关系,进而反推计算出放电室出口离子密度径向分布。结果显示:放电室出口离子密度平均值约为9.0×10~(17)m~(-3),最大值约为1.54×10~(18)m~(-3),最小值约为4.6×10~(17)m~(-3);离子密度径向分布具有较好的中心轴对称性,离子密度从中心处沿着径向先缓慢减小,在径向位置约为50mm时出现快速下降;对比放电室出口与栅极出口离子密度径向分布发现,中心位置两者相差最大,边缘处相差最小。     

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。     

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。     

700W功率HET-80霍尔推力器束流特性研究

霍尔推力器的束流特性能够体现推力器的工作状态,为了了解额定功率1350W的Hall Effect Thruster-80(HET-80)霍尔推力器在700W功率下的工作状态,研究设计了一套等离子体诊断系统,包括了法拉第探针、平面型Langmuir单探针、阻滞能量分析仪(RPA)和发射光谱,对HET-80霍尔推力器在700W功率下的束流特性进行了诊断实验。实验结果显示:700W功率工况下HET-80霍尔推力器束流发散半角为45°,整体呈现出纺锤形分布,束流中心区域的离子电流密度分布呈现出圆环型霍尔推力器典型的双峰结构;由于等离子体的复合碰撞导致离子量变少,实验中法拉第探针测量得到的积分电流随着轴向距离增加而减小;在束流区边缘发生了较多的CEX碰撞,使该区域电子温度骤升;中心区离子能量接近247e V,相较于推力器放电电压310V,评估霍尔推力器加速效率达79.6%,加速效率较好,整体束流结果表明HET-80霍尔推力器在700W功率工况下表现正常。实验中发现法拉第探针结合RPA测量出来的离子数密度较Langmuir探针测量出的离子数密度更为准确;由于霍尔推力器只有一个空心阴极,发射光谱得到的出口附近电子温度和离子原子相对浓度分布均为空间非均匀状态。     

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。     

射频自偏压效应离子推力器束流特性实验研究

为了获得不同推力器工况对射频自偏压效应离子推力器的自偏压幅值和束流特性的影响，本文通过地面实验研究了栅极射频功率、线圈放电功率、工质种类对自偏压幅值和羽流区等离子体参数的影响，同时对直流栅极工况和射频栅极工况下的束流特性进行了对比。研究结果表明：栅极射频功率的增大会提高自偏压幅值并提升束流强度，但在较高栅极射频功率下，栅极下游区域将发生自持放电并形成等离子体；放电腔内放电模式转换会通过改变等离子体阻抗的方式大幅影响栅极直流自偏压幅值和栅极电压的射频分量，进而影响羽流区等离子体参数；与直流栅极工况相比，射频栅极能同时引出并加速离子和电子，并在栅极下游实现自中和，且在Ar,Kr,Xe三种工质下均具有自中和能力。     

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。     

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。     

30cm离子推力器三栅极组件设计参数对寿命的影响研究

为了研究30cm离子推力器三栅极组件设计参数对预估寿命的影响,在完成失效模式分析的基础上,通过PIC-MCC方法对离子推力器三栅极组件的离子溅射速率进行了计算,建立起栅孔二维寿命预估模型,并针对栅极设计参数对预估寿命的影响进行研究。结果显示:导致三栅极组件的主要失效模式为5kW高功率模式下的离子直接轰击所造成的栅极早期结构失效,且减速栅的过快离子溅射腐蚀成为影响三栅极组件寿命的关键,而不同工作模式不会产生新的失效方式,仅影响栅极的离子溅射速率以及寿命;在现有三栅极设计参数条件下,当推力器工作时,栅极引出的离子束流处于明显欠聚焦状态,且加速栅寿命预估值约为9062h,而减速栅约为2642h;通过PIC-MCC方法得到的栅极三个关键设计参数对寿命的影响模拟结果显示,降低加速栅电压对提升减速栅寿命的作用较小;缩小加速栅与减速栅冷态间距后,离子溅射速率会随着冷态间距的缩小逐渐降低,冷态间距由1mm缩小至0.6mm后,减速栅在5kW工况下的工作寿命可提升至10726h,且经试验验证该间距可满足推力器力学环境试验要求;缩小屏栅孔径对改变离子束流引出形状具有显著作用,单孔束流发散角度随着屏栅孔径的缩小出现了明显降低,且束流离子几乎不会再直接轰击至减速栅上游区域,当屏栅孔径由1.9mm缩小至1.6mm后,减速栅工作寿命可提升至9259h;分析结果对后续开展栅极组件的寿命优化设计提供了参考。     

一种电推力器用小推力测量系统

为了精确测量小功率电推力器的小推力，从理论上提出了一种小推力测量的方法，即利用电磁反馈补偿方法使推力测量天平工作在随遇平衡状态（或接近于随遇平衡状态），消除气路和电路连接的影响。电磁力反馈补偿推力器产生的和。通过对电弧加热等离子体推力器（Arcjet）的热实验，测量装置测量了不同工况下的推力值。实验证明此测量方法可准确测得电推力器工作的小推力。     

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。