离子推力器推力密度特性

离子推力器推力密度分布对航天器轨道维持和修正具有重要影响.采用粒子模拟-蒙特卡罗碰撞方法模拟束流等离子体输运过程,分析束流多组分粒子喷出数量和速度等微观参数,并计算得到单孔束流推力,结合放电室出口等离子体密度分布,进一步对推力密度分布特性分析,最后开展实验验证.研究结果显示:束流中单价离子、双荷离子以及交换电荷离子的推力贡献比分别为84.63%,15.35%和1.82%,可见推力主要来源于束流中的单价离子和双荷离子,交换电荷离子对推力贡献很小;推力密度分布具有较好的中心轴对称性,从推力器中心沿着径向先快速下降后趋于缓慢;与实验结果对比,经验模型相对误差约为4.1%,数值模型相对误差约为2.8%,相比经验模型,数值模型具有更好的准确性.研究结果可为离子推力器推力密度分布均匀性等优化提供参考.     

离子推力器放电腔数值模拟

 为更好地理解放电腔内等离子体物理机制,对Kaufman型离子推力器放电腔进行了数值研究,其中初始电子采用粒子模拟的方法处理,二次电子和离子采用漂移-扩散流体近似描述。模拟结果与已有实验测量数据进行对比表明：所采用计算方法适用于放电腔内等离子体流动规律的数值研究;模拟得到的稳态下等离子体分布及变化规律与实验测量数据相吻合;磁场的设计对初始电子起到显著的约束作用,有效地提高了其与工质气体的电离碰撞几率;二次电子的精确描述还需在流体方程中耦合磁场效应。     

离子推力器栅极透过率径向分布特性研究

栅极系统是离子推力器的主要组件,其透过率特性对推力器的效率和推力具有重要影响.为了进一步优化栅极性能和有效评估离子推力器效率,对离子推力器栅极透过率径向分布进行研究.采用particle-In-CellMonte Carlo Collision数值仿真方法对束流引出过程进行了模拟.分析了屏栅、加速栅以及栅极系统的透过率随栅孔引出束流离子数量的变化关系,结合放电室出口离子密度分布,进而分别得到屏栅透过率、加速栅透过率和栅极系统透过率的径向分布特性,最后进行实验验证.研究结果表明:屏栅透过率径向分布具有中心对称性,在推力器中心有最小值,从中心沿着径向逐渐增大;加速栅透过率径向分布与屏栅透过率变化趋势相反;栅极系统透过率受加速栅透过率的影响很小,其径向分布与屏栅透过率径向分布相近;离子推力器栅极总透过率随着束流增大而缓慢减小.研究结果可为离子推力器栅极优化提供参考.     

稀薄等离子体稳态流动的数值模拟

为了模拟稀薄等离子体超音速稳态流动,建立了PIC/DSMC混和方法模型.以稳态等离子体推力器(SPT-70)为对象,进行了数值模拟.输入条件来自在真空舱内对SPT-70的实验测量和相关性能计算,数值结果与实验结果的比较表明:本文建立的数学模型和编制的软件是可信的,可以为电推力器性能评价及潜在的羽流污染评估提供有效途径.     

电子回旋共振离子推力器放电室等离子体数值模拟

电子回旋共振离子推力器属于静电型推力器,具有寿命长、比冲高、结构简单、可靠性高等优点,适用于深空探测等长时间空间飞行任务.放电室是一个关键部件,其内部通过电子回旋共振产生等离子体.针对放电室内等离子体流场建立飘移-扩散近似模型,采用迎风格式有限差分法对该模型进行数值求解,得到了放电室内不同时刻的等离子体流场分布及其演化规律.数值模拟结果可以为推力器的设计和实验研究提供有用信息.     

燃机预混燃烧混合特性实验及理论分析

贫预混燃烧中的混合问题对深入理解污染物排放机制至关重要。本文针对某一特定喷嘴进行混合特性实验测量,通过三维数值模拟与实验测量值进行比较,分析得出湍流施密特数对混合特性的影响,发现施密特数为0.5时数值模拟结果与实验值符合良好;随后依据实验值和三维数值模拟结果,并结合理论分析混合分数方差控制方程中扩散项和生成项所占比例,提出用于衡量燃机预混燃烧混合特性的一维混合模型。结果显示,该特定喷嘴的混合效果很好;混合分数方差控制方程中的扩散项和生成项所占比例不超过25%,一维模型能依据有限实验值较好地预测燃烧室中的混合不均匀度。     

离子推力器工作性能参数控制模型

为了研究离子推力器工作参数对输出特性的影响,通过离子推力器工作性能参数的理论计算公式,建立起离子推力器输入参数与输出参数的Simulink控制模型,根据模型分别对我国研制的30 cm口径以及20 cm口径离子推力器的工作输出参数进行了理论计算,并通过推力测量试验对理论值进行了比对和分析。比对结果表明:在推力理论计算过程中引入二价Xe离子比率和束流密度分布推力修正,以及推力均方误差修正后,推力理论值与实测值符合性较好,计算误差小于1 mN,证明了推力修正方法的合理性。     

超声波电喷推力器羽流中和特性研究

超声波电喷推力器主要应用在小卫星(10 kg)平台,为解决该类型推力器的羽流在中和过程中产生的推力偏角以及能效低的问题,对超声波电喷推力器的羽流中和过程进行数值研究.为实现电喷推力器羽流特有物理过程的仿真,建立了一种带电液滴中和模型(NECD模型),对电子-正电液滴的中和过程进行捕捉,包括带电粒子的输运过程、电子液滴碰撞过程以及液滴的破碎与重组等过程;为验证模型的可行性和精度,开展推力测量和羽流高速照相试验,以工况相同试验和仿真结果进行对比.结果显示,该模型的综合计算误差在20%左右,在不同工况下可以和试验值形成趋势上的符合.基于该计算模型,对放电功率为2 W、放电电流为2 m A的超声波电喷推力器进行羽流输运过程的数值模拟,获得表征羽流中和特性的几种参数分布,包括数密度、电荷密度、液滴体积大小等,并统计出各类能耗所占比例,解释了推力偏角和能效低问题的内在机理以及为相应优化提供参考.     

多模式离子推力器栅极系统三维粒子模拟仿真

栅极系统是离子推力器推力产生的主要部件,推力器的性能和寿命都与栅极系统密切相关.对于具有多种工作模态的离子推力器,基于电流电压入口的仿真可以有效评估推力器的工作状况.采用三维粒子模拟方法对两栅极系统等离子体输运过程进行了仿真,获得了不同模式下的推力器性能参数,对比NSTAR的在轨测试参数,验证了模型的正确性;分析了工作模式变化对栅极区域电场分布和束流状态的影响以及离子推力器多模式设计需求.分析结果表明:远离栅极系统的外凸型屏栅鞘层和内凹型零等势面、低鞍点电势值和平缓的下游电势分布,有利于提高栅极系统离子通过率,抑制电子返流,减小Pits-and-Grooves腐蚀,是离子推力器工作模式的设计方向;提高束流电压会导致发散角损失增大,但可扩展栅极工作电流范围,在束流强度较大的模式下,使束流具有较好的聚焦状态,有利于减小Barrel腐蚀.研究结果为多模式离子推力器工作模式设计提供了参考.     

喷管长度对直筒型激光推力器推进性能的影响

"烧蚀模式"激光推进是利用强激光烧蚀推力器自身携带的工质产生的高温高压气团反喷进行驱动的,推力器的喷管构型对推进性能有重要影响。鉴于此,从实验和数值模拟两个方面研究了喷管长度对直筒型激光推力器推进性能的影响。实验发现,衡量推进性能的2个主要参数冲量耦合系数和比冲均随着喷管长度的增加而增加,不过前者的增长呈渐缓趋势。综合考虑推进参数和推力器自重的影响,导出了推力器获得最大单脉冲速度增量(ΔvT)的最佳喷管长度公式。数值模拟得到的不同喷管长度推力器推进参数的变化规律与实验结果基本吻合:若喷管长度过短,则高压气体未能充分作用于推力器就被排出筒外,造成了能量的浪费;若喷管长度过长,筒内压力的衰减则成为影响推进性能的主要因素,从而解释了直筒型推力器的推进性能的增长趋势随喷管长度增加而逐渐趋缓的原因。     

离子发动机交换电荷离子返流的粒子模拟

 建立了离子发动机羽流的物理模型,采用粒子网格对羽流中的交换电荷离子的分布进行了模拟,电场方程使用完全近似格式的代数多重网格方法求解。利用计算设备统一架构技术开发出一套基于图形处理器的3维并行粒子模拟程序。计算结果表明,交换电荷离子在径向扩张型电势结构下会向束流区外运动,一部分交换离子在电场力作用下会向发动机上游运动,从而形成返流。发动机上游区域的交换电荷数密度与束流等离子体数密度相比降低了3~4个数量级。通过降低电子温度可有效降低返流电流。     

脉冲等离子体推力器羽流沉积薄膜的结构与光学性质研究

为了研究脉冲等离子体推力器羽流污染特性,把握脉冲等离子体推力器羽流沉积薄膜性质,利用质谱仪对推力器羽流残余气体成分进行了分析,利用红外傅里叶光谱、光电子能谱及紫外可见光分光光度计对推力器羽流区阴极侧不同方位角处沉积薄膜的结构及光学性质进行了诊断研究结果表明,推力器羽流中主要存在C,F,CF,CF2和CF3气体分子;在各方位角处脉冲等离子体推力器羽流沉积生成了低氟碳比碳氟薄膜;沉积薄膜微观结构以30°角为界在羽流不同区域中具有不同的变化趋势;羽流沉积薄膜具有对波长小于500 nm的光低透射率及增强反射率的光学特性,受薄膜性质的影响,其光学特性具有极大的角度依赖性.     

使用不同工质的会切磁场等离子体推力器

会切磁场等离子体推力器是一种利用磁镜约束等离子体产生推力的新型推力器,具有寿命长、推力大范围连续可调等优点,在无拖曳控制领域具有较大的应用前景.分别采用Xe,Kr和Ar三种不同工质,开展了会切磁场等离子体推力器实验.首先,对所用的推力器进行了简要的原理和设计介绍;然后,对三种工质的点火电压分别进行了测试,发现Xe是最容易点火成功的,Kr和Ar点火难度较大.在阳极电流、推力、效率和比冲等性能方面,三种工质在同等条件下也存在明显的区别.分析发现,三者的工质利用率高低导致了性能上的差别,通过提升通流密度能够大幅提升Kr和Ar的工质利用率.在羽流结构方面,法拉第测量结果表明三者都存在明显的空心羽流,且离子电流密度峰值出现的角度随着原子量的减小而逐渐减小.     

Laser-induced fluorescence measurements of velocity within a Hall discharge

The results of a study of laser-induced fluorescence velocimetry of neutral and singly ionized xenon in the plume and interior portions of the acceleration channel of a Hall thruster plasma discharge operating at powers ranging from 250 to 725 W are described. Axial ion and neutral velocity profiles for four discharge voltage conditions (100 V, 160 V, 200 V, 250 V) are measured as are radial ion velocity profiles in the near-field plume. Ion velocity measurements of axial velocity both inside and outside the thruster as well as radial velocity measurements outside the thruster are performed using laser-induced fluorescence with nonresonant signal detection on the xenon ion 5d[4]_7/2–6p[3]_5/2 excitation transition while monitoring the signal from the 6s[2]_3/2–6p[3]_5/2transition. Neutral axial velocity measurements are similarly performed in the interior of the Hall thruster using the 6s[3/2]⁰ ₂–6p[3/2]₂transition with resonance fluorescence collection. Optical access to the interior of the Hall thruster is provided by a 1-mm-wide axial slot in the insulator outer wall. While the majority of the ion velocity measurements used partially saturated fluorescence to improve the signal-to-noise ratio, one radial trace of the ion transition was taken in the linear fluorescence region and yields a xenon ion translational temperature between 400 and 800 K at a location 13 mm into the plume. Received: 27 September 2000 / Revised version: 2 March 2001 / Published online: 9 May 2001     

Doubly‐Charged Xe Ions Evidenced by Time Resolved RPA Measurement in the Far Field Plume of a Low‐Power HET

A low power Hall Effect Thruster (HET), based on a permanent magnet circuit, was investigated in the GREMI laboratory facility. The thruster operated in the working range between 50 and 300 W and the previously measured thrust is between 4 and 16 mN for an anodic efficiency respectively between 15% and 27%. The pulsed character of the thruster current is an important feature of this HET. The ion current's bursts are recorded at 30 and 70 cm from the exit plane in the thruster plume and are time‐resolved, which lead to a preliminary analysis of the time of flight (TOF) phenomena. This paper presents a detailed study of these bursts of ion current in the plume. The total ion current is shown to be a superposition of 2 distinct contributions of charged species. In complement, a controlled single current interruption in stable anodic current condition leads to exactly the same features than in oscillating mode. This crucial verification garantees the validity of the time of flight origine of the two distinct contributions. Then, the slower one is the more intense and is proportional to the ion Xe+ current whereas the faster one could be attributed either to doubly‐charged Xe⁺⁺ or to superfast Xe⁺. The work presents a way to determine unambiguously the nature of the fast contribution by recording the Retardated Potential Analyser (RPA) signals at various repelling grid potentials with respect to time. The energy distribution of the 2 wellseparated contributions are reconstructed and confirms the contribution of doubly‐charged xenon ions (Xe⁺⁺) in the plume. This way of RPA collecting data and interpretation presents the main advantage tobe an easy way for the identification of the nature of the charged species in the plume. (© 2015 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

高频感应等离子体流动模型与微型电推进器流场特性分析

微型射频离子推力器具有结构简单、 工作寿命长、 推力动态范围大、 性能调节响应灵敏等特点,是国际微电推进领域的研究热点之一.射频离子推力器电离室内的感性耦合放电等离子体特性和推力器的性能密切相关.为此,文章建立了低气压、小尺寸微型射频离子推力器电离室内感性耦合等离子体流体模型,开展了电磁场、流场、化学反应浓度场的多物理...     

固体发动机尾焰近红外高光谱计算与仿真

首先介绍固体发动机尾焰中钾原子的来源及其在尾焰中的辐射机理,并基于原子谱线理论对尾焰钾共振双线的光谱线型特征进行分析。然后,采用理想模型及半经验公式法对尾焰流场分布进行数值模拟,通过尾焰的流场参数使用C-G近似法数值计算尾焰钾共振双线的辐射特性。最后,利用大气辐射传输模型计算尾焰中钾共振双线辐射信号经过大气传输后到达探测系统的光谱特征。结果表明,该方法能有效地仿真计算尾焰近红外钾线高光谱精细结构。仿真结果亦表明钾共振双线光谱信号能有效通过大气传输,可作为尾焰探测识别的依据。     

螺旋波等离子体推进器中双层形成的PIC模拟

建立了螺旋波等离子体推进器中双层等离子体形成过程的一维全粒子PIC模型,讨论了放电过程中电子加热模型和等离子体膨胀模型,计算了不同条件下螺旋波等离子体推进器中双层等离子体的分布。结果表明:采用氩气工质,在射频电流90A/m2和工作压强0.05~0.15Pa的条件下,可产生双层等离子体,其密度为1.3×1015~2.8×1015 m-3,双层电势降为10~30V,可加速氩离子束流,喷射速度为3~12km/s,双层加速效应对推进器的性能具有一定影响。