栅极热变形对离子推力器工作过程影响分析

栅极热变形是影响离子推力器性能和寿命的重要因素. 采用三维粒子方法对栅极系统等离子体输运过程进行模拟, 对比、分析栅极热变形前后栅极系统的电子返流限制、导流系数限制、离子通过率和发散角损失. 结果表明: 栅极热变形增大了屏栅离子通过率和推力器推力值, 并由于加速栅截止电流阈值的提高拓展了推力器工作电流区间, 但电子返流阈值的明显降低对栅极系统可靠工作造成了不利影响.     

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.     

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.     

重力场中理想气体密度分布的 Monte Carlo 模拟

利用Monte Carlo 方法模拟了重力场中理想气体的密度分布,直观展现了重力场中气体分子位置的改变和分布特点,讨论了分子质量和系统温度对气体密度分布曲线以及重力势能零点处密度n0的影响.模拟结果与玻耳兹曼分布律完全吻合.另外,模拟结果表明玻耳兹曼分布律不仅对纯的理想气体成立,而且对混合理想气体中各成分气体也成立.     

离子推力器加速栅极离子运动规律的数值研究

 以离子推力器栅极组件为研究对象,建立了3维数值模型,应用网格质点法研究了束流离子和电荷交换离子在栅极组件间的运动规律。根据给定的几何和物理参数,模拟得到了栅极组件附近的电势分布、束流离子和电荷交换离子的运动轨迹、速度相空间分布以及加速极电流等。模拟结果表明：加速栅极下游产生的电荷交换离子在电场的作用下会加速撞击加速栅极下游面,是造成加速栅极腐蚀的主要因素;栅极间产生的电荷交换离子会撞击到加速栅极孔壁面,使加速栅极孔逐渐增大。     

前鞘等离子体的LB碰撞输运模型

本文从离子动力学方程出发，利用ＬＢ碰撞模型研究了离子－离子碰撞效应对前鞘等离子体输运的影响。电子分布假定为等温麦克斯韦－玻耳兹曼分布。结果表明，在低碰撞频率和高碰撞频率下，ＬＢ碰撞模型都能较好地描述前鞘等离子体中的离子－离子碰撞行为。离子－离子碰撞对表面等离子体的输运行为有较大影响。     

放电激励KrF,ArF激光器中电子能量分布函数和输运系数的计算

采用玻耳兹曼稳态方程计算了He-Kr,Ne-Kr,He-Ar和Ne-Ar混合物中电子能量分布函数和有关输运系数,并对计算结果作了讨论。 关键词：     

用三个分布律整合气体动理论的教学

用麦克斯韦速度分布律、玻耳兹曼分布律、自由程分布律整合了气体动理论的教学．     

玻耳兹曼分布律及其应用

本文介绍了玻耳兹曼分布律在力学、电学、光学、生物学等各方面的应用。     

20 cm口径离子推力器力学特性模拟分析

为了提升20 cm离子推力器的抗冲击性能,对现有结构开展了力学分析和试验验证。对栅极组件进行结构等效处理后,采用有限元方法分析了整机的模态和冲击响应谱。分析结果显示,栅极组件结构等效前后的分析结果对比差距8.3%～11.9%;推力器的3个轴向基频分别为246,248,336 Hz,栅极组件和中间极靴是离子推力器的力学薄弱环节并对整体结构稳定性具有重要影响;在冲击载荷1600 g下,栅极组件表面应力主要集中在小孔区边缘处,且形变也主要发生在小孔区;在采取刚度为1000 kN/m的减振措施后,栅极组件的整体形变位移降低了60%～82%。试验结果显示,在10～1200 Hz的低频扫描过程中,推力器3个轴向的基频分别为256,258,348 Hz,与仿真结果基本一致,采用减振措施后的20 cm口径离子推力器通过了1600 g的冲击试验。     

单链表在离子发动机光学系统粒子模拟中的应用

 目前离子发动机光学系统数值模拟大多采用PIC方法，由于该方法需要跟踪单个粒子的运动，因此需要存储每个粒子的位置信息与运动信息。传统的粒子模拟程序中，保存粒子信息大多采用数组的方式，但是采用这种方式存在弊端，例如对粒子总数变化的自适应不好。基于此开发了一种使用链式存储结构的粒子模拟程序，该程序使用带头节点的单向链表存储粒子信息。使用基于链式存储结构的PIC方法对离子发动机光学系统进行了粒子模拟，验证了链式粒子信息存储方法在粒子模拟中的可用性。模拟表明：（1）在粒子模拟中采用链式存储结构存储粒子信息，无需预先指定最大粒子总数，程序可自适应粒子总数的变化，因此无需进行试算，节省了计算时间；（2）在粒子模拟中采用链式存储结构，由于不存在内存资源的浪费，因而可显著提高程序的存储效率与计算效率。     

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.     

脉冲等离子体推力器等离子体羽流的光谱研究

脉冲等离子体推力器(pulsed plasma thruster, PPT)具有体积小、重量轻、比冲高等优点,特别适合作为执行微小卫星轨道转移、阻力补偿和姿态控制等任务的推进系统。为了深入理解PPT推力产生的机理,本文对采用具有张角的舌型极板的尾部馈送式PPT等离子体羽流开展了时空分辨光谱诊断研究。通过对光谱数据的分析发现： 等离子体羽流的主要成分为C,F,C+,F+,C2+,还含有少量的由于极板烧蚀产生的Cu+和Cu2+;等离子体在放电通道内的分布不均匀,通道中心的等离子体浓度最大,靠近阳极板的等离子浓度要明显大于靠近阴极板的等离子体浓度;在不同位置处等离子体成分也具有较大差别,F+和中性粒子主要分布在靠近阳极侧的区域;通过对各个分立谱线进行多普勒线性拟合,得到了放电通道内等离子体温度信息;以中轴线靠近工质的观测点为例,对该点在整个放电过程中不同时刻的谱线进行分析,得到了该点等离子体的具体演化过程,发现在放电的不同阶段羽流成分及各组分所占比例差别较大。     

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.     

微型电子回旋共振离子推力器离子源结构优化实验研究

微型电子回旋共振(ECR)离子推力器可满足微小航天器空间探测的推进需求. 为此, 本文开展直径20 mm的微型ECR离子源结构优化实验研究. 根据放电室内静磁场和ECR谐振区的分布特点, 研究不同微波耦合输入位置对离子源性能的影响, 结果表明环形天线处在高于ECR谐振强度的强磁场区域时, 微波与等离子体实现无损耦合, 电子共振加热效果显著, 引出离子束流较大. 根据放电室电磁截止特性, 结合微波电场计算, 研究放电容积对离子源性能的影响, 实验表明过长或过短的腔体长度会导致引出离子束流下降甚至等离子体熄灭. 经优化后离子源性能测试表明, 在入射微波功率2.1 W、氩气流量14.9 μg/s下, 可引出离子束流5.4 mA, 气体放电损耗和利用率分别为389 W/A和15%.     

Particle‐in‐Cell Simulations for Ion Thrusters

The Particle‐in‐Cell (PIC) method was used to study two different ion thruster concepts: Hall Effect Thrusters (HETs) and High Efficiency Multistage Plasma Thrusters (HEMPs), in particular the plasma properties in the discharge chamber due to the different magnetic field configurations. Special attention was paid to the simulation of plasma particles fluxes on the thrusters inner surfaces. In both cases PIC proved itself as a powerful tool, delivering important insight into the basic physics of the different thruster concepts.The simulations demonstrated that the new HEMP thruster concept allows for a high thermal efficiency due to both minimal energy dissipation and high acceleration efficiency. In the HEMP thruster the plasma contact to the wall is limited only to very small areas of the magnetic field cusps, which results in much smaller ion flux to the thruster channel surface as compared to HET. (© 2009 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

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。     

氮等离子体枪中电子输运行为的蒙特卡罗模拟

采用蒙特卡罗模拟,对氮等离子体枪的两个环形电极间的氮气辉光放电过程中电子的输运过程进行研究.计算在不同平均电场与粒子数密度的比值(E/N)下,电子与氮分子发生不同碰撞的概率、出射电子的平均能量、方向角分布和电子的能量分布.结果表明,电子能量近似服从玻尔兹曼分布.随着E/N的升高,电子平均能量升高,发生激发、离化、电离和离化电离碰撞的概率增大;非均匀分布的电场使分子获得更高的离化率,同时显著增强出射电子的能量.模拟结果为等离子体应用设计提供了参考依据.