离子推力器羽流特性的粒子模拟

采用粒子网格单元和蒙特卡罗碰撞方法,建立了离子推力器羽流场的2维轴对称模型,对其特性进行了数值模拟,并将模拟结果与实验测量数据进行了对比分析。研究结果表明：数值模拟结果与实验测量值基本一致,模型可以很好地评估离子推力器的羽流特性;返流区离子数密度达到1014 m-3量级,会对航天器表面产生污染;背压对束流区域外电荷交换离子影响较为显著,不可忽略。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

离子推力器空心阴极热特性模拟分析

对离子推力器空心阴极进行了热分析。利用ANSYS有限元软件对阴极罩开启/闭合状态下的空心阴极热启动过程和达到稳态工作时温度场分布进行了模拟,结果表明稳态工作时空心阴极内部能量主要损耗在热阻丝和阴极顶部分,并且阴极罩及热屏是降低空心阴极温度损耗提高其热效率的关键部件,采用阴极罩及热屏后使得空心阴极的总体温度值提升了2.3%～13.2%,其中发射体温度提升2.3%～4.2%,热实验得出的实验数据与模拟结果基本一致,研究结果对空心阴极的优化设计提供参考。     

2cm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...     

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。     

图形处理器并行计算用于离子发动机粒子模拟

为了研究离子发动机羽流对航天器的影响,采用质点网格-蒙特卡罗碰撞方法对离子发动机羽流中的交换电荷离子进行了模拟。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并行粒子模拟程序。随机数生成采用并行MT19937伪随机数生成器算法,电场方程使用完全近似存储格式的代数多重网格法求解。r-z轴对称坐标系中,在z=0 m处获得的电流密度均值为4.5×10-5 A/m2,图形处理器所得结果与中央处理器模拟结果吻合。在16核心的NVIDIA GeForce 9400 GT图形显示卡上,取得相对于Intel Core 2 E6300中央处理器4.5~10.0倍的加速比。     

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.     

基于Kr工质的离子推力器栅极PIC仿真

Kr是新型低成本离子推力器的优选工质之一。采用三维PIC粒子模拟方法对Kr等离子体在栅极系统中的输运过程进行仿真,并与Xe工质仿真结果进行对比,分析工质类型对束流分布、离子通过率、发散角损失和推力等参数特性和分布的影响。结果表明：相比于Xe工质,Kr工质条件下,屏栅上游鞘层区域更大,屏栅离子通过率略有上升;Kr+在加速栅孔轴向速度较大,径向位移小,撞击加速栅几率小,加速栅电流相对较小;Kr工质和Xe工质的发散角损失相当,但Kr工质工作电流区域更高;相比于Xe工质,相同功率条件下Kr工质的推力值约降低20%。