不同磁路下微型ECR中和器电子引出的模拟研究

电子回旋共振(ECR)中和器是微型ECR离子推力器的重要组成部分,其引出的电子用于中和ECR离子源的离子束流,避免了航天器表面电荷堆积,并且电子引出性能对推力器的整体性能起着重要作用.为了分析影响微型ECR中和器电子引出的因素,本文建立了二维轴对称PIC/MCC计算模型,通过数值模拟研究不同磁路结构对中和器的电子引出,及不同腔体长度对壁面电流损失的影响.计算结果表明, ECR区位置和引出孔附近磁场构型对中和器的电子引出性能至关重要.当ECR区位于天线上游,电子在迁移扩散中易损失,并且电子跨过引出孔前电势阱所需的能量更高.如果更多磁力线平行通过引出孔,中和器引出相同电子电流所需电压较小.当ECR区被天线切割或位于下游时,电子更易沿磁力线迁移到引出孔附近,从而降低了收集板电压.研究了同一磁路结构下不同腔体长度对电子引出的影响,发现增加腔体长度,使得更多平行轴线的磁力线通过引出孔从而避免电子损失在引出板表面,增加了引出电子电流.研究结果有助于设计合理的中和器磁路和腔体尺寸.     

径向磁场对霍尔推力器性能影响的数值模拟研究

霍尔推力器由于推力密度大、结构简单等特点,在商业航天领域具有广泛的应用前景.为了进一步提升小功率霍尔推力器的性能,克服低轨卫星用小功率霍尔推力器性能受限于输入功率和最大磁场强度的问题,本文利用数值模拟和理论分析方法研究了霍尔推力器放电通道中径向磁场分布对推力器性能的影响.在轴向磁场分布和最大径向磁场强度一定的情况下,通过改变径向磁场梯度实现径向磁场对推力器性能影响的研究.结果表明,在放电参数、推进剂流率以及轴向磁场不变的情况下,加速区的电势随着径向距离的增加而减小.因此,靠近推力器放电通道内壁侧的径向磁场梯度越大,离子沿着轴向漂移到达推力器出口的动能越大,推力器的推力越大.本文的研究结果为霍尔推力器的磁场设计,性能优化提供了理论支撑.     

离子推力器束流引出状态对栅极刻蚀的影响

为了研究30 cm离子推力器束流引出状态对栅极刻蚀的影响,建立了束流引出模型,并采用PIC-MCC方法对CEX离子造成的栅极腐蚀速率进行了计算,最后将计算结果与1500 h寿命试验结果进行比对分析。结果显示:束流正常聚焦时,在3 kW和5 kW两种工作模式下,加速栅和减速栅的质量刻蚀速率分别为(1.11～1.72)×10?15 kg/s及(1.22～1.26)×10?17 kg/s。在5 kW工况下,当屏栅上游等离子体密度达到4.03×1017 m?3时,束流出现欠聚焦现象,此时加速栅和减速栅的最大离子刻蚀速率分别为4.33×10?15 kg/s和4.02×10?15 kg/s;在3 kW工况下,当屏栅上游等离子体密度达到0.22×1017 m?3时,束流出现过聚焦现象,此时加速栅和减速栅的最大离子刻蚀速率分别为3.24×10?15 kg/s和5.01×10?15 kg/s。寿命试验结果表明,加速栅孔质量刻蚀速率的计算值与试验值比对误差较小,而由于束流离子对减速栅孔的直接轰击,导致减速栅孔刻蚀速率的计算值和试验值差异极大。经研究认为,对屏栅小孔采用变孔径设计,是降低当束流处于欠聚焦或过聚焦状态下,CEX离子造成加速栅孔和减速栅孔刻蚀速率,并提升推力器工作寿命的有效措施。     

2 cm电子回旋共振离子推力器离子源中磁场对等离子体特性与壁面电流影响的数值模拟

电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)离子源内等离子体分布会影响束流引出,而磁场结构决定的ECR区与天线的相对位置共同影响了等离子体分布.在鞘层作用下,等离子体中的离子或电子被加速对壁面产生溅射,形成壁面离子或电子电流,造成壁面磨损和等离子体损失,因此研究壁面电流与等离子体特征十分重要.为此本文建立2 cm ECRIT的粒子PIC/MCC(particle-in-cell with Monte Carlo collision)仿真模型,数值模拟研究磁场结构对离子源内等离子体与壁面电流特性的影响.计算表明,当ECR区位于天线上游时,等离子体集中在天线上游和内外磁环间,栅极前离子密度最低,故离子源引出束流、磁环端面电流和天线壁面电流较低.ECR区位于天线下游时,天线和栅极上游附近的等离子体密度较高,故离子源引出束流、天线壁面电流和磁环端面电流较高.腔体壁面等离子体分布与电流受磁场影响最小.     

空间电推进技术发展及应用展望

我国空间电推进技术已进入成熟和全面应用的新阶段。为进一步促进电推进技术发展, 加速推动空间动力领域技术进步, 采用调研、对比分析的方法, 以功率为划分标准, 重点结合未来空间任务对电推进的应用需求, 针对电推进各技术方向的特点, 从"中、微、超"3个功率区间对空间电推进进行了分类综述。总结了国内外电推进技术的发展现状和存在的不足, 提出了需要攻克的关键难点, 研判了发展的主要趋势, 归纳了存在的共性问题, 提出了未来10年空间电推进技术的发展建议, 供我国卫星用户、总体单位和空间电推进专业技术单位参考。      

HET-450大功率霍尔电推力器仿真分析及试验

针对大功率霍尔推力器耐受强热载荷不易稳定工作、宽放电电压范围调整难以高效电磁调控等关键难点，兰州空间技术物理研究所与哈尔滨工业大学联合开展了10 kW级以上大功率霍尔推力器技术研究，开展了热分析设计，并建立热仿真模型，计算获得关键组件稳态温度，结果显示各部位温度均满足设计要求；同步建立了PIC仿真模型，进行了80 mg/s固定流率下，不同电压下电离特性分析，结果表明推力器放电腔口径较大情况下，电压低会使工质利用率降低从而导致推力器效率低；进一步，开展性能分析，得出600 V阳极效率低于500 V时工况，分析为电离不充分和壁面能量损失所致；此外，基于实验样机开展了试验研究，实现30 kW功率下的稳定工作，表明针对性热防护设计具有较好效果，并采用激光干涉推力测量法，获得推力为1.33 N,与仿真数据所得1.38 N偏差在5%以内，具有较高的符合度，表明推力器设计合理有效。     

氮气工质10厘米ECRIT中和器实验研究

10厘米电子回旋共振离子推力器(ECRIT)可以多类型气体工作,应用于吸气式电推进系统具有可行性,研究氮气工质ECRIT的ECR中和器是研究氮氧工质ECRIT的基础.当传统氙气工质10厘米ECRIT的ECR中和器以氮气为工质工作时,由于氮气分子量较低,离子容易漂移出中和器,引出电子电流减小,已不适合以氮气为工质工作.本文基于10厘米传统ECR中和器,以抑制离子漂移出中和器、提升电子引出性能为目的,实验研究适用于氮气工质工作的双极ECR中和器.结果表明,在气体质量流率0.04 mg/s、输入功率10W的条件下,以氮气为工质工作,引出电子电流134 mA时,传统ECR中和器所需的阳极电压为150 V,而双极ECR中和器仅需50 V的阳极电压,下降了约67%;阳极电压40 V时,传统ECR中和器的功率损耗为1204.82 W/A,而双极ECR中和器的功率损耗为95.23 W/A,约为前者的8.3%.氮气工质双极ECR中和器的离子屏蔽效果显著,电子引出性能得到改善.     

霍尔推力器中呼吸振荡激发机理及影响因素

呼吸振荡作为霍尔推力器中的一种低频、大振幅放电不稳定性,对推力器的性能及寿命有严重的影响.本文利用包含了离子径向扩散和电子壁面相互作用的双区“捕食者-被捕食者”(Predator-Prey, P-P)模型,对霍尔推力器中呼吸振荡的激发机理和影响因素开展了研究.研究结果表明,电子与壁面之间相互作用导致的能量耗散对呼吸振荡有抑制作用,而近阳极区的离子径向扩散对呼吸振荡有激发作用.依赖于近阳极区的离子径向扩散强度,模式振荡频率以及放电电流的振荡峰值呈现非单调变化的趋势.此外,在推力器放电通道长度一定的情况下,呼吸振荡的激发与电离区长度的变化无关,而振荡的频率(周期)随着电离区长度的增大而增大(减小).本文的研究结果将为霍尔推力器中呼吸振荡激发机理的认识以及呼吸振荡抑制新方法的提出提供理论支撑.