磁零点及通道宽度对霍尔推力器性能影响的数值研究

磁场位形和通道尺度会改变霍尔推力器等离子体放电过程,影响推力器的宏观放电特性。为分析磁场和通道宽度对推力器放电性能的影响规律,本文针对霍尔推力器轴对称通道结构和放电物理过程建立2D3V物理模型,采用粒子模拟方法研究了霍尔推力器磁零点磁场位形不同通道宽度的电势、粒子数密度、电子温度、电离速率、比冲及推功比的变化规律,结果表明：在具有磁零点磁场位形下,随着通道宽度增加,通道出口处电势降增加,加速区缩短,离子径向速度减少,壁面腐蚀降低;当磁零点位置在内壁面,推力器通道宽度由14 mm增加到16 mm时,推力器比冲和推功比增大,推力器放电效率提高;当磁零点位置在通道中轴线或外壁面,且通道宽度大于14 mm时,推力器比冲增大,推功比减小,推力器效率下降。     

多模式离子推力器流率特性实验研究

为了实现多模式离子推力器在宽功率范围内最优性能和可靠性,基于30cm多模式离子推力器通过实验开展了阴极和中和器羽状模式转变点流率、放电电压30V对应阴极流率和放电损耗曲线与束电流关系研究。30cm多模式离子推力器束电流从0.3A增加到3.3A时,阴极羽状模式转变点流率值从0.017mg/s增加到0.163mg/s,放电电压30V对应阴极流率从0.129mg/s增加到0.231mg/s,中和器羽状模式转变点流率从0.030mg/s增加到0.191mg/s。随放电室工质利用率的增加,在小束电流下放电损耗迅速增加;当束电流大于1.5A时,放电损耗对放电室工质利用率的变化较为迟钝。基于上述流率特性实验结果完成了30cm多模式离子推力器宽功率范围35个工作点下最佳流率设计。在设计的工作流率下,放电电压小于30V,阴极和中和器均工作在点状模式,实测推力为9.6mN~185.2mN、比冲为1332s~3568s、功率为258W~4761W。     

磁场对霍尔推力器放电特性及性能参数影响的粒子模拟研究

磁场强度及位形对霍尔推力器放电过程有显著影响。根据霍尔推力器通道尺寸和等离子体放电过程建立二维物理模型,采用粒子模拟方法,研究了不同磁场强度及位形等离子体放电特性,讨论了推力、推功比及放电电流的变化规律。模拟表明:当中轴线磁场强度峰值小于200G时,磁场对电子轴向传导约束减弱;当磁场强度峰值在200G～420G时,电子温度、电离率及电子与壁面碰撞频率降低,出口处离子径向速度增大,壁面腐蚀增加;当磁场强度峰值为280G时,加速区最短,放电电流最小。不同零磁点磁场位形会改变通道电离区和加速区位置,影响推力器放电性能。     

脉冲等离子体推力器放电室构型参数的影响分析研究

通过开展脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster, PPT）放电试验,结合理论计算与分析,研究了放电室构型参数对推力器性能的作用机理与影响规律。结果表明：推进剂烧蚀表面附近电极间距的增大使放电电流的峰值降低;增大电极高宽比使电感梯度提高,并使电磁冲量得到提升。考虑到放电电流集中在推进剂表面附近,电流峰值主要受到放电室上游电极间距的影响,因此,采用在放电室下游增大电极扩张角的方法使电极高宽比增大,通过这种空间上的分离,能够解决增大电流峰值与提高电感梯度之间的矛盾,实现推力器电磁冲量的综合提升。相比于常规PPT所使用的矩形推进剂构型,V形的推进剂构型可有效提升推力器的气动冲量。     

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%。     

霍尔推力器不同壁面侵蚀对低频振荡特性影响研究

基于霍尔推力器一维准中性流体模型,对放电壁面侵蚀对低频振荡特性的影响进行了数值模拟研究。通过改变霍尔推力器放电通道的横截面积,研究了霍尔推力器寿命期内通道受离子溅射后,放电电流振荡特性变化。研究结果显示,横截面积从25cm2增大到37cm2时,放电电流振荡幅值增加,振荡频率基本不变;继续增加横截面积,放电电流振荡幅值减小,振荡频率增加。理论分析表明:通道侵蚀面积增大,导致离子碰撞频率变化,进而引起振荡特性变化。     

微阴极电弧推力器的设计与试验

微阴极电弧推力器具有体积小、重量轻、功耗低、比冲高等优点,是微纳卫星空间推进的理想选择。为了研究其关键特性以及基本性能,设计了一套环形微阴极电弧推力器样机,包括推力器本体和功率处理单元。高速摄影对推力器点火的观测验证了磁场存在时阴极斑点的旋转,并获得了阴极斑点旋转速度与磁场强度的关系。通过飞行时间法、打靶法分别对离子速度、元冲量进行了测量,测量结果表明:推力器出口离子的轴向平均速度在15~30km/s,没有磁场时,元冲量为0.132μN·s,磁场强度为0.0457T时,达到0.262μN·s,推力器平均推力大小在μN量级。通过研究得到:微阴极电弧推力器烧蚀均匀,性能易于调节,适用于微纳卫星。     

小功率氮电弧推力器的性能

采用自然辐射冷却结构的小功率电弧推力器,实现了以氮气为推进剂的长时间稳定运行。采用间接测力方法得到推力,利用铜镜反射法拍摄喉道处的放电状态,结合测量的弧电压、弧电流和气流量数据以及导出的比冲和推力效率,对推力器运行性能和放电特性进行了研究。结果显示:在气流量为100~700mL/min,输入功率为35~55W的条件下,最大推力约为24mN,最大比冲接近175s,当弧电流为80~120mA范围内变化时,弧电压变化范围为420~520V,并且弧电压随气流量的增加呈现出先下降后上升的趋势。      

惯性静电约束推力器放电过程数值模拟研究

为了研究惯性静电约束推力器(Inertial Electrostatic Confinement Thruster,IECT)的放电原理和工作机制,采用漂移-扩散流体模拟方法,基于圆柱形惯性静电约束推力器的结构,研究不同栅网线直径、栅网个数、推力器尺寸条件下等离子体放电情况和阴极电压、背景气压对推力器放电的影响。结果表明:在所研究条件下,保证阴极必要的几何透过率的同时,适当增加推力器栅网个数可以提高喷射离子密度,减小羽流发散角;随着阴极电压和背景气压的增大,推力器喷射的等离子体密度增大。但是,压强继续增大会达到临界值,等离子体被约束在推力器内部无法喷出,即喷射模式无法运行,故阴极电压与背景气压对IECT均有较大影响。     

阳极电流和屏栅电压对5kW离子推力器性能的影响

为了研究5kW离子推力器功率宽范围工作能力,采用试验的方法得到阳极电流和屏栅电压与其性能的影响关系。研究结果表明：离子束流随阳极电流增大呈线性增大。当屏栅电压增加时,推力器离子束流先增加然后趋于稳定,加速栅电流单调减小。推力随功率增大呈线性增长,比冲随功率的增大呈非线性增长,在功率308W~4813W下实现了推力12mN~184mN,比冲1817s~3538s, 效率34%~67%的宽范围调节。同时推力器效率随功率增大逐渐增大,并在2902W时存在明显拐点,在实际在轨应用中要根据任务需求确定最佳工作区间提高推力器性能和效率。     

离子推力器多模式化研究

为了实现离子推力器多模式化,分析了离子推力器功率宽范围调节限制因素,提出了两种宽范围调节策略;针对我国小行星探测任务,完成了30cm多模式离子推力器研制、功率宽范围调节限制条件确定、以及两种调节策略下多模式工作点设计及对比研究。结果显示,通过降低放电室磁场强度可延伸离子推力器最小稳定工作功率,提高束流均匀性,实现离子推力器更宽功率范围多工作点设计;功率宽范围调节主要是屏栅电压和束电流的宽范围调节,二者通过栅极导流系数限制和交叉限制而约束;推力随功率增加呈线性增加关系,比冲随功率的增加总体上呈先快速增加后趋于稳定的趋势;30cm多模式离子推力器在0.25kW～5kW内稳定工作,推力10mN～186mN,比冲1522s～3586s。     

脉冲等离子体推力器的性能分析

脉冲等离子体推力器(PPT)的性能受多方面因素的影响,包括放电参数以及推力器本体结构等。通过对脉冲等离子体推力器的工作原理和物理学模型的分析,研究了PPT的效率、比冲、推力、元冲量、推功比等性能参数与电极结构、电气参数的关系,并设计了实验,对效率、比冲、元冲量等与放电能量、电极间距的关系进行了验证。结果表明,效率、比冲、元冲量均随放电能量的提高而增大,元冲量在电极间距为50 mm时大于间距为30 mm、40 mm时的值。根据实验结果,提出了设计高性能PPT的一些优化条件,对PPT的设计有参考意义。     

霍尔推进器磁屏蔽对磁场的优化效应研究

为研究磁屏蔽对霍尔推进器磁场位形分布的影响，以轴对称环形霍尔推进器为研究对象，采用FEMM软件对各种磁屏蔽情况下的磁场分布进行仿真；结合流体模型，利用四阶龙格库塔方法对放电通道内各粒子的输运性质进行研究。结果表明：内外磁屏蔽材料高度变化时磁场位形存在最优分布；电子温度在放电通道出口附近达到最大值，约64eV。离子化频率和电子轴向有效散射频率峰值也出现在通道出口附近。     

两种会切场离子推力器对比研究

环型会切场离子推力器和柱型会切场离子推力器是当前广泛应用和研究的两种会切场离子推力器。基于30cm环型会切场离子推力器LIPS-300H和30cm柱型会切场离子推力器LIPS-300Z,对比研究了两类会切场离子推力器各自优劣及其机理。首先分析了两种会切场原理,总结给出了两种会切场差异,然后实验对比研究了两种会切场离子推力器束流均匀性、放电效率和寿命。实验结果显示：LIPS-300H相比LIPS-300Z在3kW和5kW工况下束流密度峰值分别降低25%和19%,放电电压分别降低7.8V和6.2V,放电损耗分别增加20W/A和32W/A,屏栅预测寿命分别增加6.7倍和3.2倍。试验结果表明：虽然LIPS-300Z比LIPS-300H具有放电损耗低的优点,但其较差的束流均匀性,较高的阳极电压和双荷离子比,使其在寿命和可靠性方面劣于LIPS-300H。     

圆柱形阳极层霍尔推力器内轮辐效应的实验研究

为了研究圆柱形阳极层霍尔推力器内关于电子反常输运的轮辐效应(Rotating Spoke),分别采用高速相机和静电探针来捕捉圆柱形阳极层霍尔推力器内的轮辐效应图像和等离子体震荡频率。结果表明:在放电电压350V,放电电流3.5A,阳极上表面处的磁场强度为125Gs,工作气压为2×10-2Pa时,由测得轮辐效应的放电图像和波形可知,轮辐效应的频率为10kHz～12.5kHz。当磁场强度增加到205Gs,放电电流增加到4A时,轮辐效应的频率增加到25kHz,并且轮辐效应出现分裂和合并现象。此研究结果表明,圆柱形阳极层霍尔推力器内不仅存在轮辐效应现象以及角向电场,而且不同的工作参数会有不同的轮辐效应模式和频率。     

激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程实验研究

为了加深对激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程的认识，本文对有无陶瓷隔离板和不同初始电压下的激光支持的脉冲等离子体推力器进行了实验研究。利用放电伏安特性对比了放电特性参数和性能参数，然后利用结合窄带滤光镜的高速摄影技术揭示了性能差异背后的物理过程变化。结果表明，陶瓷隔离板可以有效避免放电电弧对工质的烧蚀，这可以抑制滞后烧蚀的产生，从而提高推力器的推进性能。对激光烧蚀产生的工质的电离和加速是在多次振荡放电过程中进行，而不像理想电流片模型那样只电离和加速一次。放电通道内工质的电离和加速效果最为显著的时间为放电的第2个半周期。随着初始电压的增加，单位放电能量产生的推进性能先增加后趋于平稳，然后继续增加。单位放电能量产生的推进性能在初始电压高于2050V后得到较大的提高，通过放电等离子体图像推测，这意味着附着等离子体电弧的存在对推力器性能的提高有重要影响。