电子回旋共振推力器C/C复合材料栅极的力学性能

为了研究电子回旋共振推力器在搭载火箭升空过程中,过载和振动环境对栅极带来的影响,采用有限元分析软件建立了10 cm C/C复合材料栅极的有限元分析模型,计算分析了不同C/C复合材料栅极的力学性能、频率响应和振动模态。结果表明:20g过载下,栅极的最大变形量为6.12×10-4mm;在5~800 Hz激振下,栅极频率响应的最大位移为2.3×10-6mm;过载对栅极的影响要大于振动对它的影响,但是这两个值都在安全门限内;综合分析栅极频响和模态分析的计算结果,栅极仅在其第一阶模态处于外界激振发生共振。     

电子回旋共振离子推力器放电室低信号调试

微波输入技术是电子回旋共振离子推力器的关键技术之一,输入微波在推力器放电室内产生谐振的时候,微波功率才能高效地被吸收,从而电离气体,提高电子的能量,增加等离子体的电离度。电子回旋共振离子推力器放电室是一个不规则的微波谐振腔,很难从理论上确定其谐振状态下的结构。本文利用网络分析仪,采用微波无源器件回波损耗的测试方法对放电室进行精确调谐,分析微波谐振频率及带宽,目的在于详细研究放电室的结构尺寸、微波耦合探针形状和尺寸在谐振状态下的匹配性。调试结果表明放电室增加14 mm圆柱段,选择圆柱段长度22 mm和球形直径9 mm的组合探针,可以得到较好的谐振状态,此时腔体的回波损耗为-23 dB,谐振频率4.195 GHz,谐振带宽为0.025 0 GHz,品质因素为167.848。     

电子回旋共振离子推力器研究与应用综述

电子回旋共振离子推力器（ECRIT）以电子的无碰撞加热机制产生等离子体,具有推力范围宽、下限低、可精确控制的特点。本文从原理和工作过程出发,分析了ECRIT对当今空间飞行任务的适用性。围绕这些适用范围,综述了当前原理可行的10cm低推力、2cm微推力ECRIT在不同工质驱动下的研究和应用现状,总结了这些推力器性能的重要特征,分析了制约推力器进一步发展的关键问题。结果表明,ECRIT因为独特的原理和物理过程以及成功的飞行实例,被证明适用于当今深空与近地小行星及引力波探测、微小卫星控制以及地球极低轨道飞行器的阻力补偿。     

离子推力器栅极系统电子反流阈值的数值分析

阻止束流等离子体中电子反流到加速栅上游区域是离子推力器加速栅负电压的主要作用之一,能够阻止电子反流的加速栅电压最小值称为电子反流阈值。加速栅电压的选择直接影响到离子推力器的工作性能和运行寿命,电子反流阈值电压是确定加速栅电压的重要参考参数。基于PIC方法计算了20cm氙离子推力器加速栅电子反流阈值,并分析了加速栅孔径、栅间距、单孔引出束流电流大小对加速栅电子反流阈值电压的影响,计算结果与试验测量值符合较好。该数值模型为加速栅参数的选择和降低电子反流失效风险方法提供了参考,为下一步电子反流现象对加速栅寿命的预测分析奠定了基础。     

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。     

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。     

离子发动机栅极系统电子回流数值模拟

以离子发动机栅极系统为研究对象,基于网格质点法(PIC),建立了二维数值计算模型.利用模型能够较好地模拟离子在栅极系统中的运动,得到栅极系统周围的电势分布以及离子和电子的密度分布等.进一步的计算结果表明,在几何参数一定的条件下,加速栅极电压以及加速栅极孔径对加速栅极下游的电子密度分布有重要的影响.选取合适的加速栅极电压和孔半径,可以阻止电子回流的产生,使离子发动机获得较佳的性能.      

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。     

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。     

宽进气道电子回旋共振离子源电磁场和中性粒子计算研究

传统10cm电子回旋共振离子推力器（ECRIT）离子源的进气道进气面积小、压强损失大,无法直接应用于吸气式电推进系统（ABEP）。针对该问题,本文提出了抗流槽和栅格两种宽面积进气道方案,基于多物理场仿真软件COMSOL、直接蒙特卡洛模拟（DSMC）方法,研究了不同进气道离子源内的微波电磁场分布、中性粒子分布,并通过实验验证了方案的可行性。研究结果表明：抗流槽和栅格进气道的最优结构分别为抗流槽中段长度4mm、栅格厚度2mm,最优结构下,两者离子源放电室微波能量均不低于传统离子源;传统离子源和栅格进气道离子源的推进剂供给压强均随流量线性增加,传统离子源所需供给压强约为栅格进气道离子源的3.86倍;当推进剂流量为2cm3/min时,栅格进气道离子源可正常工作,所需的推进剂供给压强为0.14Pa;对比相近工况下传统氮工质10cm ECR离子源,栅格进气道离子源工作性能未见明显衰减。     

微推力ECR离子推力器等离子体源电子获能计算分析

为满足小型航天器的微推进需求,开展了微推力电子回旋共振(ECR)离子推力器的计算研究。实现该推力器的关键是ECR等离子体源合理的磁场和电场分布数值计算,从而使电子在穿过ECR谐振区时能够获得最大能量。为此以双环形永磁材料结构作为磁路,分别以直线形、环形和盘形微波耦合天线产生微波电磁场,同时改变等离子体源特征长度,利用有限元软件计算并分析ECR等离子体源内磁场和微波电场的分布规律以及电子在ECR区的获能规律。结果以微波输入功率5W、频率4.2GHz为例,发现环形耦合天线与较短等离子体源特征长度的结构组合可使电子在ECR区的获能指标达到最大且分布最佳。     

电子回旋共振中和器内静磁场及微波电磁场的数值计算

为了研究电子回旋共振中和器内静磁场和微波电磁场的分布规律,设计合理的磁路结构以形成电子回旋共振区,并使微波强电场区与电子回旋共振区重合,采用有限元分析软件对中和器内的静磁场和微波电磁场进行了数值计算。计算结果表明:永磁体及磁轭的尺寸均影响电子回旋共振区的分布;天线伸入长度越长,微波电场越强。微波频率为4.2GHz时,六块相同的长12mm,宽8mm,高5mm的条形永磁铁与磁轭组成的磁路结构,可以产生合理的电子回旋共振区。L型天线伸入长度为5mm时微波强电场区可与电子回旋共振区重合。     

电荷交换离子对栅极系统束流影响的数值研究

采用二维网格质点法(PIC)计算离子在离子发动机栅极系统中的运动, 通过在模型中添加离子和中性粒子电荷交换的Monte Carlo碰撞模块, 得到了电荷交换离子在栅极周围的分布及电荷交换离子的运动规律.计算结果表明:考虑电荷交换离子后, 屏栅极电流较不考虑电荷交换离子情况时增大了1.42%, 所受影响不大, 加速栅极电流由0增大到主束流电流的1.41%.模拟结果表明:加速栅极下游较远处产生的电荷交换离子, 是造成加速栅极下游面腐蚀及加速栅极电流的主要原因.      

电弧加热发动机羽流电子温度及电子数密度的双静电探针测量

研制了一套双静电探针测量系统,对以氩气为推进剂的1kW级电弧加热发动机羽流进行了测量,得到了电子温度和电子数密度的轴向和径向分布,以及随弧电流、气流量的变化趋势。结果表明,羽流显著偏离局域热力学平衡状态,电子温度呈现复杂的分布和变化趋势。羽流轴线上的电子温度明显低于偏离轴线处的值,而电子数密度远高于偏离轴线处的值;羽流轴线上的电子温度随弧电流的增加而降低,电子数密度随弧电流的增加而增加;羽流中心区电子温度随气流量的变化趋势不明显。