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。     

微阴极电弧推力器研究进展

介绍一种适用于微纳卫星的新型微电推进方式——微阴极电弧推力器,其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喷出产生推力,并利用外加磁场聚焦等离子体以减小羽流扩散角、提高比冲。总结了国外相关机构大量的研究工作,并实现了在轨验证。北京控制工程研究所及其研究团队已攻克了阴极工质均匀烧蚀、低电压放电击穿、磁场设计等关键技术,完成原理样机点火验证工作,并采用实验手段研究磁场对推力器影响;采用PIC/MCC方法开展数值仿真,获得推力器内部及羽流区相关参数分布,对其工作过程及工作机理开展研究,为工程应用奠定了基础。     

微阴极电弧推力器放电寿命特性研究

微阴极电弧推力器(micro-cathode arc thruster,μCAT)在微纳卫星空间任务中有良好的应用前景,但寿命问题是目前制约其发展的重要因素.研制了自动数据采集系统,进行了不同放电频率下全寿命试验,观察分析了失效后阴极材料及导电薄膜的形貌变化.研究结果表明:推力器工作初期,放电特性为不稳定阶段,该阶段在...     

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。     

同轴微阴极电弧推力器的粒子网格法数值模拟

采用粒子网格方法对同轴微阴极电弧推力器μCAT工作过程进行了模拟研究, 并应用自相似方法对模型进行简化,获得了推力器羽流区的电子数密度分布、离子数密度分布、电势分布及离子轴向平均速度,通过改变磁感应强度和位形分析磁场对推力器内等离子体运动特性及推力器性能的影响。计算结果表明,电子被外加磁场捕获约束在磁力线附近,低速离子与高速电子形成的双极扩散电场加速离子喷出;在相同流量情况下,磁感应强度002T时,离子返流严重,磁感应强度005~030T时,磁感应强度变化对速度影响较小;磁场位形对离子运动和推力器性能有较大影响,磁力线与轴线夹角较小时离子速度下降明显,夹角较大时离子返流严重。     

一种提高空心阴极推力器推力的发射体外置方法

为提高空心阴极推力器的比冲,研究了空心阴极发射体外置的方法,对比研究了发射体外置和内置两种结构的空心阴极推力器的推力和比冲,发现发射体外置的结构相比较于内置结构能够增加推力器的推力和比冲。进一步研究发现,发射体外置的空心阴极推力器引出的离子电流、离子能量要明显高于发射体内置的空心阴极推力器,可以推断发射体外置的阴极推力器存在离子加速喷出增大推力和比冲的机制。     

微型微焦斑X射线闭管及阴极丝电子发射差异性

行星岩石成分原位测量是行星探测的基本需求,X射线荧光分析是开展元素成分测量的重要技术手段。针对深空探测X射线荧光分析仪的需要,设计并研制了一款微型微焦斑X射线闭管,尺寸为Φ15 mm×22 mm,焦斑尺寸230μm,工作时阳极接地,阴极接浮地负高压,最大电压为–50 kV。在微型X射线闭管研制过程中,开展了螺旋型钨丝、直线型钨丝、直线型铼钨丝等常用热阴极的电子发射差异性研究,测量了各型热阴极的电子发射效率。结果显示,在200 V阳极电压下,低铼含量直线型铼钨丝电子发射效率最大为27.87μA·W^–1,是螺旋型钨丝的4倍,直线型钨丝的9倍;掺铼钨丝电子发射效率远高于纯钨型阴极丝。此外,铼钨丝还具有电子发射快、预热要求低、对真空度要求不高等特点,是深空探测X射线闭管阴极丝较理想的选择。     

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。     

感应式脉冲等离子体推力器技术综述

摘要： 综合文献及作者研究实践,介绍了感应式脉冲等离子体推力器的原理和特点.从国外研究机构与项目、推力器组件和系统集成实验、工作机理数值仿真等方面,总结和评述了达到的技术状态与认识.最后梳理了面临的技术挑战,提出了可能的解决途径.     

脉冲等离子体推力器放电电离二维PIC建模与仿真

摘要： 针对脉冲等离子体推力器（PPT）的放电过程,利用粒子网格 蒙特卡洛（PIC MCC）方法建立仿真计算模型.以LES 6 PPT为例,加入电离碰撞进行电离仿真.通过粒子运动碰撞与电磁场耦合仿真计算得到电流与电路总电阻的变化规律,揭示了PPT放电过程中等离子体密度分布情况.通过对比不加入粒子预分布与加入粒子预分布的两种条件下的计算结果,得到了加入粒子预分布使带电粒子密度计算结果更接近实验结果的结论.根据PPT的工作过程,在放电之前推力器内存在等离子体,所以在仿真研究中应进行粒子的预分布.文中的研究方法对PPT的粒子方法模拟具有一定的参考意义.     

电弧通道磁场分布对断弧效果的控制作用研究

多电和全电化是未来飞机的发展趋势,针对这种趋势,必须研制和发展相应电压等级的供配电电器.为此,设计了3种可用于270*#V直流断路器的灭弧室模型雏形,通过实验和理论计算,研究分析了电弧运动通道对断弧效果的控制作用.试验结果表明:采用适宜的电弧运动通道,可以有效地控制电网严重故障时电路的分断过程,抑制预期故障电流峰值,减少热允通能量.理论计算分析表明,这种改善效果直接和电弧通道上的吹弧磁场分布有关.     

Experimental investigation on silica dust lofting due to charging within micro-cavities and surface electric field in the vacuum chamber

The charged dust particles can be mobilized electrostatically by the repulsion between the adjacent grains and the surface electric field due to the incoming electron current and the charge accumulation within the micro-cavities. In this study, the experimental results of the initial vertical launching velocities and the maximum dust heights are compared with the estimated values for the lofted spherical dust grains by the patch surface charging equations. Silica particles with the sizes between <6 and 45?µm in radius are loaded on a graphite plate, and they are exposed to the electron beam with 450?eV energy under 4?×?10^?3?Pa vacuum chamber pressure. During the first set of the experiments, the dust samples are tested without an initial compression process and an additional horizontal electric field. Second, the dust samples are compressed by two different weights in order to increase the packing density under approximately 780.7?Pa and 3780?Pa. Finally, the dust grains are placed between the two parallel aluminum plates to apply approximately 2000?V/m and 4800?V/m horizontal electric field. A high-speed camera is used to record the transportation of the dust grains together with a microscopic telescope, and the results point out that the patch surface dust-charging model estimations are in agreement with the first experiments. On the other hand, the dust particles from the compressed samples are lofted with higher velocities than the estimations, and the number of the dust lofting observations decreases significantly, which demonstrates the importance of the micro-cavities and the increased charging requirement to overcome the contact forces. When the horizontal electric field is present, the initial vertical launching velocities are measured to be lower than the other experiments, which can be attributed to the decreased charging requirement for the dust lofting as a result of inter-particle collisions and rolling motion. According to the experimental results, the electrostatic dust transportation can be controlled not only by the ambient plasma and the solar irradiation on the airless planetary bodies, but also by the surface properties such as the contact surfaces between the dust grains, the number of the micro-cavities related to the packing density, and the presence of the horizontal electric field contributing to the external forces by other particle motions.     

Acceleration of charged particles by fluctuating and steady electric fields in a X-type magnetic field

Release of stored magnetic energy via particle acceleration is a characteristic feature of astrophysical plasmas. Magnetic reconnection is one of the mechanisms for releasing energy from magnetized plasmas. Collisionless magnetic reconnection could provide both the energy release mechanism and the particle accelerator in space plasmas. Here we studied particle acceleration when fluctuating (in-time) electric fields are superposed on an static X-type magnetic field in collisionless hot solar plasma. This system is chosen to mimic the reconnective dissipation of a linear MHD disturbance. Our results are compared to particle acceleration from constant electric field superposed on an X-type magnetic field. The constant electric field configuration represents the effects of steady state magnetic reconnection. Time evolution of ion and electron distributions are obtained by numerically integrating particle trajectories. The frequencies of the electric field represent a turbulent range of waves. Depending on the frequency and amplitude of the electric field, electrons and ions are accelerated to different degrees and have energy distributions of bimodal form consisting of a lower energy part and a high energy tail. For frequencies (ω in dimensioless units) in the range 0.5 ? ω ? 1.0 a substantial fraction (20%–30%) of the proton distribution is accelerated to gamma-ray producing energies. For frequencies in the range 1 ? ω ? 100.0 the bulk of the electron distribution is accelerated to hard X-ray producing energies. The acceleration mechanism is important for solar flares and solar noise storms but it could be applicable to all collisionless astrophysical plasmas.     

玻璃基环形振动微陀螺谐振子的设计与制造工艺

针对传统单晶硅材料热胀系数不稳定引起的硅基环形振动微陀螺的温度漂移问题,开展了玻璃基环形振动微陀螺谐振子的设计,并提出了一种新型的玻璃基准三维微结构制造工艺,借助微型电子机械系统（MEMS）工艺中成熟的深硅刻蚀、阳极键合、化学机械抛光等通用加工技术,融合玻璃熔融工艺,解决了玻璃基准三维微结构的制造工艺难题,同时保证了高的加工精度,实现了玻璃基环形振动微陀螺谐振子的高精度批量制造。     

涡轮叶片微小通道气膜新型复合冷却结构设计

利用数值模拟的方法,研究了一种应用于涡轮导向器叶片的微小通道气膜新型复合冷却结构.重点是对微小通道和气膜孔的新型复合冷却方法进行结构设计并进行结构优化,探讨不同的冷却结构形式对流动和换热的影响.研究表明:不同的复合冷却结构对冷却效率和压力损失的影响不同;在所设计的几种复合结构中,分枝小通道结构在平衡冷却效率和压力损失方面有着较好的效果;所计算的几种复合结构的结果都显示,微小通道气膜新型复合冷却结构的冷却效率高于铸冷叶片的冷却效率,冷却效果好,具有巨大的应用前景.