离子推力器栅极热变形的摄像测量方法

为了解决离子推力器栅极在真空、高温、等离子体环境中微小热变形量检测的技术难题,提出了一种基于摄像测量原理的离子推力器栅极热变形测量方法,设计了一套基于远距显微镜进行栅极热变形测量的系统。运用交互式分区标定方法获得多目标清晰边缘,借助陶瓷探针及圆形合作标志完成栅极亚像素级变形量检测、图像放大系数计算以及切向畸变校正、水平面校正。精度验证实验表明本方法静态检测精度9μm,栅极热变形实验测量结果与国外同类实验趋势一致,系统满足离子推力器栅极热变形测量的需求。     

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。     

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。     

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.      

空间在轨环境下的30 cm离子推力器三栅极组件间距变化仿真分析

采用有限元仿真(FEM)与地面热平衡试验验证相结合的方法，计算并模拟了30 cm离子推力器处于在轨环境时，有、无主动热控对三栅极相对位移变化造成的影响，并对目前离子推力器设置的工作启动流程可能造成的打火风险进行了预估。结果显示：三栅极组件的热形变方向均为法向方向，且栅极中心区域的间距最小；在 -269 ℃ 在轨极限环境温度下，推力器在5 kW工作模式下温度平衡后的屏栅与加速栅最大热态间距为0.14 mm，加速栅和减速栅则已发生贴合；在受太阳辐照以及卫星帆板恒温边界的影响下，栅面最低初始温度为-102 ℃；当推力器主动热控保证温控点为20 ℃时，栅面最低启动温度为-25 ℃，且推力器工作8000 s后，屏栅与加速栅、加速栅与减速栅的最小间距分别稳定在0.25 mm和0.20 mm；当推力器主动热控保证温控点为50 ℃时，推力器工作9000 s后，屏栅与加速栅、加速栅和减速栅最小间距分别稳定在0.31 mm和0.30 mm，能够满足0.25 mm的栅极安全打火间距要求。     

LIPS-200离子推力器关键部组件寿命分析

基于离子推力器关键部组件前期寿命试验,结合离子推力器部组件失效模式的失效机理分析,对采用数值建模和理论分析方法开展的LIPS-200离子推力器部组件寿命理论分析进展情况进行了总结,包括栅极系统电子反流失效分析、加速栅结构失效分析和空心阴极发射体耗尽失效分析,分析得到部组件的寿命,结果显示离子推力器寿命满足设计要求.分析结果对离子推力器寿命评价和性能改进具有参考意义.     

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。     

离子发动机加速栅极腐蚀深度的DFF测量与数值模拟

使用聚焦深度表面测量(DFF)方法对加速栅极下游表面腐蚀深度进行了测量,并将测量结果与数值模拟结果进行了比较,所使用的数值方法为PIC-Monte Carlo方法.利用数值模拟程序对离子发动机栅极腐蚀进行了数值模拟.以氙为推进剂,栅极材料为钼.用蒙特卡罗方法模拟了氙离子与中性氙原子之间的电荷交换碰撞.模拟得到了加速栅极下游表面离子溅射腐蚀的深度分布,腐蚀模式与"Pits and grooves"模式相吻合.      

20cm口径离子推力器性能建模与仿真

为了分析国内首台通过在轨飞行测试的20cm离子推力器栅极系统束流离子运行特性和推力器性能,针对该推力器栅极系统建立了束流引出二维数值仿真计算模型,利用PIC/MCC数值仿真计算方法,模拟束流引出过程中带电粒子在电场作用下的加速、聚焦与引出、带电粒子与中性原子之间的相互作用、电场和等离子体流场之间的相互耦合等过程。数值计算结果显示,屏栅截获的离子电流约为1.71×10 -4 A,加速栅截获的电流和CEX离子电流分别为0 A和9.11×10 -7 A,因此,加速栅电流的主要来源是冲击到其表面的CEX离子,证明了加速栅电流的主要来源是冲击到其表面的CEX离子,计算的加速栅截获电流与束流电流之比约为0.114%。试验测得推力器运行4000h期间,电子反流极限电压始终为75~90〖KG*9〗V,其变化幅度很小,这意味着中和器发射的电子在栅极系统中的反流不会导致其发生失效。理论计算结果与试验测试值相比,误差约为1.08%。〖JP〗