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〗     

高能离子辐照下薄膜界面化学结合增强的模型

近年来高能离子辐照引起的薄膜附着力增强现象及其应用受到了广泛的重视。由于高能离子一固体相互作用的复杂性,目前对附着力增强的物理机制的认识还不清楚。文章基于高能离子辐照引起界面原子化学结合键增强的思想,建立了薄膜附着力增强的理论模型,并由此得到辐照离子阈剂量与离子能量损失(电子阻止能力)及其界面原子结合键能的分析表达式,计算结果与实验结果很好吻合。理论分析表达式说明,膜附着力增强的阈剂量受界面原子结构、元素种类、电子阻止能力及其形成固体径迹所损失的能量等多种因素有关。     

磁等离子体发动机中离子回旋共振天线参数优化

磁等离子体发动机(Magnetoplasma Rocket Engine,MPRE)的离子回旋共振加热(Ion Cy?clotron Resonance Heating,ICRH)单元中射频天线是能量注入元件,其参数直接影响能量耦合效率.为优化ICRH天线参数,建立了ICRH中粒子模拟(Particle In Cell...     

驱动卫星捕获碎片的电子回旋共振离子推力器系统优化

近年来空间碎片数量急剧增加,已经对空间飞行器造成了严重的威胁。为此提出在碎片密集区域轨道(700km～1000km高度)的碎片处理方案,即利用微小卫星在电子回旋共振(ECR)离子微推进连续切向力作用下,不断进行轨道提升并进行碎片收集。基于此,进一步对电推进系统方案进行优化设计计算,在设计寿命1年的条件下,以推进系统质量最低作为优化目标,以加速电压和工质流量为变量,对电推进系统方案进行优化。最终得到的优化结果为工质流量0.25sccm (0.0244mg/s)、加速电压2488V时,推进系统总体最优,总质量7.288kg,推力器比冲2216s,推力535μN。     

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。     

射频离子推力器多元工质束流调节试验研究

为了获得射频离子推力器离子束流随放电参数的变化规律,采用试验研究的方法,就推力器引出束流与射频功率强度、工质种类、工质流量之间的调节规律开展了研究,搭建了射频离子推力器束流调节试验系统。研究结果表明:屏栅电压1200V,加速电压-250V,射频功率200W～700W,工质流量0.2mg/s～4.76mg/s,Xe,Ar,O_2,N_2四种工质下能够可靠放电并稳定引出,实现束流从54mA～467mA的调节,电离效率XeArO_2N_2,离子束流随射频功率和工质流量线性增加,在1.01mg/s的氙工质下,推力、比冲随射频功率从100W～400W线性增加实现推力7.35mN～27.5mN,比冲1191s～3696s大范围连续可调,工质利用率为21.1%～78.8%,并在射频功率为276W时工质利用率和功耗之间存在明显拐点,在应用中要根据任务选择最佳工作区间,合理控制工作参数可以提高推力器工作性能和效率。     

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。     

LIPS300离子推力器加速栅电压的优化设计

在不改变推力器几何结构的前提下,为了获得LIPS300离子推力器的最佳加速栅电压,采用半经验分析和数值仿真计算相结合的方法分析了加速栅电压分别为-180V、-190V、-200V、-210V和-220V时LIPS300离子推力器栅极组件引出束流过程中束流离子从非平衡态到平衡态的演化过程,通过数值模拟计算得到了推力器运行过程中交换电荷离子轰击溅射到加速栅壁面的产额,利用寿命预测的半经验计算方法对5种情况下LIPS300离子推力器的栅极寿命进行估计,分析了关键失效模式,通过对比获得了LIPS300离子推力器的最佳加速栅电压。计算结果显示,在现有几何结构下加速栅电压的变化不会影响栅极组件的引出性能;加速栅下游更易受到交换电荷离子的轰击溅射;加速栅电压从-180V变化至-220V过程中,影响栅极寿命的关键失效模式为电子反流失效;对比5种情况下发生电子反流和结构失效时对应的栅极寿命可以发现,LIPS300离子推力器加速栅电压最佳值应为-220V,此时对应的栅极寿命为16170.4h。     

The Composition of the Solar Wind in Polar Coronal Holes

The solar wind charge state and elemental compositions have been measured with the Solar Wind Ion Composition Spectrometers (SWICS) on Ulysses and ACE for a combined period of about 25 years. This most extensive data set includes all varieties of solar wind flows and extends over more than one solar cycle. With SWICS the abundances of all charge states of He, C, N, O, Ne, Mg, Si, S, Ar and Fe can be reliably determined (when averaged over sufficiently long time periods) under any solar wind flow conditions. Here we report on results of our detailed analysis of the elemental composition and ionization states of the most unbiased solar wind from the polar coronal holes during solar minimum in 1994–1996, which includes new values for the abundance S, Ca and Ar and a more accurate determination of the ²⁰Ne abundance. We find that in the solar minimum polar coronal hole solar wind the average freezing-in temperature is ∼1.1×10⁶ K, increasing slightly with the mass of the ion. Using an extrapolation method we derive photospheric abundances from solar wind composition measurements. We suggest that our solar-wind-derived values should be used for the photospheric ratios of Ne/Fe=1.26±0.28 and Ar/Fe=0.030±0.007.     

离子推力器欠聚焦冲击电流的数值模拟

离子光学系统的离子束引出过程是离子推力器重要的物理过程,该过程直接关系到推力器的推力、比冲、效率等参数。为研究离子在离子推力器光学系统中的运动特性,使用了基于IFE-PIC（Immersed Finite Element Particle-In-Cell）的离子推力器光学系统离子束引出过程的三维数值计算模型,计算了栅极间电场分布、电荷密度,栅极冲击电流及欠聚焦极限。计算结果表明,当屏栅极电压不同时,发生欠聚焦的等离子束电流也不同。在欠聚焦工况下,一部分离子与栅极碰撞,产生冲击电流。冲击电流随电离室等离子体数密度增加而增大。