考虑电荷交换的三维离子发动机栅极粒子模拟

为了对离子发动机光学系统进行数值分析，开发了考虑电荷交换的三维离子发动机栅极粒子模拟程序。模拟程序采用单元内粒子（PIC）方法，光学系统为双栅极结构，推进剂采用氙，总加速电压为1600V，栅极间距为1mm，粒子之间的电荷交换碰撞模型采用蒙特卡洛方法。采用链式存储结构存储粒子信息，可以实现数组式存储方法所不能实现的功能。使用粒子模拟程序对离子发动机光学系统进行了粒子模拟，模拟得到了栅极间的电场分布和氙离子空间分布。模拟结果表明，在所取工作参数下氙离子全部通过了栅极孔，未撞击到栅极上，验证了参数的合理性。     

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.      

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.      

离子发动机栅极系统中束流离子的三维模拟

应用网格质点法,对离子发动机栅极系统进行了三维数值模拟.模拟得到了离子发动机栅极系统中的电场分布、离子运动轨迹、离子在计算域内的空间分布和相空间分布等.计算结果表明,屏栅的离子透明度为69.3%,大于其物理透明度67.1%,加速栅的离子透明度为100%,远大于其物理透明度31.1%,说明所选模拟工况参数合理.模拟结果可以为离子发动机栅极的初步设计提供理论参考.      

离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀的粒子模拟

为研究离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀速的特征及影响规律,采用单元内粒子——蒙特卡罗碰撞(PIC-MCC)方法,结合溅射腐蚀模型,模拟了栅极间束流离子及交换电荷(CEX)离子的分布情况,得到离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀情况及平均腐蚀率,为0.0176μm/h。进一步研究了工作参数和几何参数对其影响,并建立了适用于工程应用的加速栅极孔扩大腐蚀预测模型。结果表明,在影响孔扩大腐蚀率各种因素中,束流电流密度和中性气体密度的影响最大。因此,在离子发动机直径一定的情况下,提高放电室出口等离子体密度的均匀性及推进剂利用率,是提高栅极寿命的根本途径。      

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于加速栅溅射腐蚀失效的离子推力器寿命预测

离子推力器加速栅溅射腐蚀失效是制约离子推力器寿命的关键失效模式之一.针对离子推力器长寿命、多功率条件下运行的特点,基于坑和凹槽的溅射腐蚀数据,建立模型对其进行寿命预测.通过研究离子推力器加速栅中心凹槽腐蚀深度在不同功率段下随工作时间的变化规律发现:运行功率顺序对加速栅凹槽腐蚀率影响较小,进而采用累积损伤理论建立离子推力器多功率段下运行的寿命预测模型.最后, 对美国的NASA's Evolutionary Xenon Thruster(NEXT)进行了寿命预测,预测结果寿命为46041h,与试验结果符合较好.      

Numerical Simulation of Characteristics of CEX Ions in Ion Thruster Optical System

Charge exchange(CEX) ions could inflict severe damages on the ion thruster optical system. This article is aimed at investigating the characteristics of the CEX ions and their influences upon the optical system by means of particle-in- cell(PIC) ion simulation and Monte Carlo collision(MCC) methods. The results from numerical simulation indicate that despite the fact that CEX ions appear in the entire beamlet region near the ion optical system, the ones that present themselves downstream of the accelerator grid have good reason for attracting more attention. As their trajectories are significantly affected by the local electric field, a great number of CEX ions are accelerated toward grids resulting in sputtering erosion. When the influences of the CEX ions are considered in the numerical simulation, there could hardly be observed augments in the screen grid current, but the accelerator grid current increases from zero to 1. 4% of the beamlet current. It can be understood from the numerical simulation that the CEX ions formed in the region far downstream of the accelerator grid should be blamed for the erosion on the downstream surface of the accelerator grid.     

Ion thruster accelerator grid erosion mechanism under extreme conditions of cylindrical erosion and chamfer erosion

In this paper, the abnormal experimental phenomenon on barrel erosion under extreme working conditions in the ultra-long life experiment(>10000 h) of ion thruster ion optics is studied by the Immersed-Finite-Element Particle-In-Cell Monte-Carlo-Collision(IFE-PIC-MCC) method and the grid erosion evaluation model. The transport process of beam ions and Charge Exchange(CEX) ions in the grid system, and the characteristics and mechanisms of the aperture barrel erosion under extreme erosion condit...     

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。     

具有元外节点的相容元素

使用有限元素法做应力分析时,经常需要在不同的部位采用疏密程度不同的网格。在应用所谓“选择加密网格”进行最佳网格分析时尤其如此。这时,在粗细网格区域的分界处出现了位移不协调。本文建议一种利用元外节点的内插方案,从而得到完全相容的元素。文中叙述了这类元素形状函数的构造方法,适用性和优缺点。     

计算网格对气动力气动热数值模拟影响的研究

以二维圆柱钝头超声速流场为研究对象,应用计算流体力学方法研究了计算网格在气动力及气动热数值模拟中的影响.计算程序中对流项、扩散项分别采用AUSM格式和中心差分格式离散,并用多步Runge-Kutta显式时间推进法求解空间离散后的控制方程.计算结果表明,壁面法向第一层网格间距、网格长宽比以及扩张度等因素都会对壁面摩阻、热流的计算产生影响,尤其是壁面法向第一层网格间距影响最为突出.边界层的计算结果与实验数据进行了仔细对比,包括壁面压力分布,摩阻系数Cf分布,斯坦顿数St分布等.高马赫数滞止气流导致壁面附近产生巨大速度梯度以及温度梯度,这些梯度的准确计算需要合适的壁面法向第一层网格间距以及合理的网格长宽比、扩张度.     

叶片弯曲对叶顶间隙流动影响的实验研究

详细测量了直叶栅与正、反弯叶栅叶顶间隙中分面以及叶栅前、后横截面内气动参数分布,并对壁面（包括上、下端壁与叶片表面）流场进行了墨迹显示。对比３ 套叶栅的实验结果发现：叶片正弯削弱了泄漏流与端壁流道内横向二次流,泄漏涡与上通道涡合并,二次涡分离由整体分离转变为局部分离,既减少了相对漏气量又降低了掺混损失;叶片反弯加强了泄漏涡与上通道涡的相互作用,虽然使相对漏气量减少,但却增大了掺混损失。