电子温度各向异性对霍尔推力器中等离子体与壁面相互作用的影响

为进一步揭示霍尔推力器放电通道饱和电子温度高达50—60 eV的原因,利用二维粒子模拟方法研究了霍尔推力器中电子温度各向异性对等离子体与壁面相互作用的影响,统计了等离子体与壁面相互作用的重要物理量,如电子与壁面的碰撞频率、通道电子在壁面的能量沉积及二次电子对通道电子的冷却.结果表明,当电子温度较低时,电子温度各向异性对等离子体与壁面相互作用的影响较小;当电子温度大于24 eV时,等离子体与壁面相互作用明显增强,并且电子温度各向异性会显著地降低电子与壁面的碰撞频率,减小电子在壁面的能量沉积,减弱鞘层对通道电子的冷却效应.电子温度的各向异性通过减弱通道电子与壁面的相互作用,有利于提高霍尔推力器放电通道的饱和电子温度.     

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.     

离子推力器放电室能量平衡研究

为探索放电室能量损耗机制,开展了离子推力器放电室能量平衡研究。基于放电室零维模型,得到放电室电流平衡关系,结合放电室电势分布,分析放电室能量损耗并建立了能量平衡模型。应用模型计算LIPS200离子推力器放电室各项能量损耗,并进一步得到各能量损耗所占比例,所得结果与国外离子推力器NEXT具有较好的一致性;采用多工况试验参数(阳极电流4.0~4.4A,阳极电压34~38V)对放电室总能量损耗进行动态验证,结果表明:计算结果与试验结果误差小于3%。     

离子推力器放电室能量平衡研究

为探索放电室能量损耗机制,开展了离子推力器放电室能量平衡研究。基于放电室零维模型,得到放电室电流平衡关系,结合放电室电势分布,分析放电室能量损耗并建立了能量平衡模型。应用模型计算LIPS200离子推力器放电室各项能量损耗,并进一步得到各能量损耗所占比例,所得结果与国外离子推力器NEXT具有较好的一致性;采用多工况试验参数（阳极电流4.0~4.4 A,阳极电压34~38 V）对放电室总能量损耗进行动态验证,结果表明：计算结果与试验结果误差小于3%。     

微波离子推力器中磁场发散区电子加热模式研究

在微波离子推力器的磁场结构设计中,一般认为增大磁镜区的面积能够约束更多电子,有利于提高能量利用率;减小发散区面积能够减少电子在壁面的损失,有利于降低放电损耗.随着一体化仿真研究深入,发现利用Child-Langmuir鞘层的特性可约束电子,使其在鞘层与磁镜间往复运动获能.对此,本文设计了适用于1 cm磁阵列微波离子推力器的磁场结构,并对其初始放电和束流引出过程进行了一体化仿真,对比阐明了电子在磁场发散区受Child-Langmuir鞘层、天线表面鞘层和磁镜共同约束下的获能模式.该获能模式可提升磁场发散区的电子温度,促进电离,提升栅极前等离子体密度,进而提升束流密度.仿真结果表明,在氙气流量0.3 sccm (1 sccm=1 mL/min),微波功率为1 W,栅极电压φ_sc/φ_ac=300 V/-50 V条件下,磁阵列微波离子推力器的电流密度较2 cm微波离子推力器提升57.9%.本文从理论上对磁场发散区电子加热模式进行了验证,研究结果将为微波离子推力器优化设计提供理论依据,促进微波离子推力器性能提升.     

20 cm氙离子推力器放电室性能优化

束流离子生产成本和推进剂利用率是表征离子推力器放电室性能的重要参数。在考虑不改变放电室几何结构、磁场分布并保持离子推力器比冲和效率的前提下,利用一维经验分析模型对兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200离子推力器放电室性能进行了优化分析,以实现推力器的推力从40 mN提高到60 mN的目标要求。分析结果表明,提高放电室推进剂流率至2.06 mg/s,放电室内放电电流维持在6.9 A,放电室内平均氙离子密度达到2.1671017 m-3时,可以保证引出1.2 A的束流,推力器达到60 mN的推力。与之对应的推进剂利用率为92%,束流离子生产成本约为188.515 W/A,相比推力40 mN时,推进剂利用率为88%、束流离子生产成本为188.29 W/A的情况,放电室性能有所提高。另外,放电室性能优化过程中其鞘层电位始终保持在3.80~6.65 eV范围内。     

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.     

壁面二次电子发射对霍尔推力器放电通道绝缘壁面双鞘特性的影响

为进一步揭示霍尔推力器放电通道绝缘壁面鞘层的特性, 利用考虑了壁面二次电子分布函数的一维稳态流体鞘层模型, 研究了壁面二次电子发射对近壁双鞘特性的影响. 分析结果表明, 由于壁面发射的二次电子对近壁鞘层中的电子密度有增加作用, 存在一个临界二次电子发射系数σ_dc使得: 当σ≤σ_dc时, 鞘层为单层的正离子鞘结构; 当σ>σ_dc时, 鞘层表现为双层的正离子鞘和电子鞘相连结构, 连接点对应于垂直于壁面方向上电势分布的拐点. 然而, 当σ进一步增大到0.999时, 鞘层转变为三层的正离子鞘-电子鞘-正离子鞘交替结构. 数值结果表明: 随着σ的增加, 电子鞘与离子鞘的连接点向远离壁面的方向移动, 电子鞘的厚度逐渐增加; 随着壁面出射电子能量系数a的增加, 近壁区鞘层的厚度也逐渐增加. 关键词： 霍尔推力器 双鞘 壁面二次电子发射     

双阳极霍尔推力器效率及推力的模拟研究

为确定双阳极霍尔推力器中阳极电压分布对推力器效率及推力的影响，采用PIC三维数值模拟对双阳极结构霍尔推力器的放电过程进行了模拟。基于垂直分布的双阳极结构，得到了放电后离子羽流分布以及电子在放电区域的分布。通过对放电状态的模拟，计算得到了不同工况下的推力以及效率。在双阳极结构中第二阳极的电压增加会增大离子能量，但将影响电子约束，而过高的电压将引起电子密度减小。推力随着霍尔电流的增大而增大，但效率会随之减小，导致在提升推力的同时损失效率。     

霍尔推力器热模型研究

为了对霍尔推力器的热分析研究提供准确的能耗加载条件,开展了霍尔推力器稳态工况下的热模型研究。基于等离子体理论,分析放电室内各项能量损耗机理,并建立各能量损耗与推力器工作参数、性能参数和结构参数的相关函数,系统地得到了霍尔推力器的完整热模型。以LHT100推力器为研究对象,热模型计算结果显示：额定工况下束流能量损耗约889 W,壁面能量损耗约300 W,阳极能量损耗约44 W,电离能量损耗约43 W,辐射能量损耗约34 W等。以此能量损耗作为热边界条件进行有限元分析,并开展热平衡试验进行验证,计算结果与试验结果吻合较好,最大误差小于5%。     

外加磁场微波等离子推力器内流场数值模拟

为了提高微波等离子推力器性能，改善等离子体对电磁波能量的吸收状况，提高核心区温度，提出外加磁场的方案，并对热等离子体进行了数值模拟.假设局域热平衡条件，采用Navier-Stokes，Maxwell和Saha方程，利用压力修正的半隐格式和时域有限差分求解方法，建立了径向磁镜场下推力器内等离子体流场的数值计算模型.数值模拟结果表明：外加磁场后的磁感应强度小于0.5 T时，推力器内热等离子体核心区最高温度随磁感应强度的增加而迅速提高.外加磁场后的磁感应强度大于0.5 T时，核心区最高温度随磁感应强度的增加而缓慢提高.磁感应强度为0.5 T时，热等离子体核心区最高温度与不加磁场相比提高了24%.外加磁场对等离子体流场速度分布影响不大. 关键词： 等离子体模拟 等离子体相互作用 等离子体流动     

不同功率下无工质微波推力器的推力预估

基于经典电动力学理论,从麦克斯韦方程组和麦克斯韦张量出发,推导出无工质微波推力器的推力计算方程. 应用有限元分析软件,计算了特定谐振模式下的特定圆台谐振腔在不同功率条件下的电磁场分布;根据推导出的理论计算公式,计算了不同功率条件下推力器的总推力. 计算结果表明:推力与功率成正比,而且磁场力决定着总推力的大小;圆台谐振腔消耗20–200 W电磁波功率时所产生的推力在20–250 mN范围内. 关键词： 电磁波 麦克斯韦张量     

外磁场作用下的磁等离子体动力学过程仿真

磁等离子体动力学推力器是空间高功率电推进装置的典型代表,磁等离子体动力学过程是其核心工作机制.为深入理解外磁场对其工作特性的影响,本文采用粒子云(particle in cell,PIC)方法结合基于自相似准则的缩比模型,进行外加磁场作用下磁等离子体动力学推力器工作过程的建模仿真,通过与实验结果对比验证模型和方法的可靠性,并重点分析推力器点火启动过程的等离子特性参数分布,以及外磁场和阴极电流对推力器工作性能的影响.研究结果表明:阴阳极放电电弧构建是推力器启动和高效工作的关键步骤;外磁场强度较低工况不利于构建稳定放电电弧,等离子体束流集中于轴线附近,推力主要产生机制是自身场加速;外磁场强度较高时,阴阳极放电电弧稳定,推力产生主要机制是涡旋加速,推力、比冲随外磁场强度线性增大;推力器效率随阴极电流和外磁场强度增大而增大;放电电压随阴极电流增大而增大,但随外磁场强度的增大表现出先减小后增大的趋势.     

外磁场作用下的磁等离子体动力学过程仿真

磁等离子体动力学推力器是空间高功率电推进装置的典型代表,磁等离子体动力学过程是其核心工作机制.为深入理解外磁场对其工作特性的影响,本文采用粒子云(particle in cell,PIC)方法结合基于自相似准则的缩比模型,进行外加磁场作用下磁等离子体动力学推力器工作过程的建模仿真,通过与实验结果对比验证模型和方法的可靠性,并重点分析推力器点火启动过程的等离子特性参数分布,以及外磁场和阴极电流对推力器工作性能的影响.研究结果表明:阴阳极放电电弧构建是推力器启动和高效工作的关键步骤;外磁场强度较低工况不利于构建稳定放电电弧,等离子体束流集中于轴线附近,推力主要产生机制是自身场加速;外磁场强度较高时,阴阳极放电电弧稳定,推力产生主要机制是涡旋加速,推力、比冲随外磁场强度线性增大;推力器效率随阴极电流和外磁场强度增大而增大;放电电压随阴极电流增大而增大,但随外磁场强度的增大表现出先减小后增大的趋势.     

Classical Theory of Hot-Electron Transport in Electric and Magnetic Fields

Balance equation approach to the hot-electron transport in electric and magnetic fields is reformulated.The balance equations are re-derived from the Boltzmann equation. A new expression for the distribution function isreported in the present paper. It is homogeneous steady solution of the Boltzmann equation in constant relaxation timeapproximation. It holds when ωocτ < i or ωc < Te. As an example, the mobility of 2D electron gas in the GaAs-AlGaAsheterojunction is computed as a function of electric field and magnetic field.     

Temporal relaxation of plasma electrons acted upon by directcurrent electric and magnetic fields

On the basis of the time-dependent electron Boltzmann equation the temporal relaxation of the electrons in the presence of electric and magnetic fields in weakly ionized, collision dominated plasmas has been studied. The relaxation process is treated by using a strict time-dependent two-term approximation of the velocity distribution function expansion in spherical harmonics. A new technique for solving the time-dependent electron kinetic equation in this two-term approximation for arbitrary angles between the electric and magnetic fields has been developed and the main aspects of the efficient solution method are presented. Using this new approach and starting from steady-state plasmas under the action of time-independent electric fields only, the impact of superimposed DC magnetic fields on the electron relaxation is analyzed with regard to the control of a neon plasma. The investigations reveal an important effect of the magnetic field on the temporal relaxation process. In particular, it has been found that the relaxation time of the electron component with respect to the establishment of steady-state can be enlarged by some orders of magnitude when increasing the magnetic field strength     

Green's function for arbitrarily shaped dielectric bodies of revolution

In this paper, a solution is developed to calculate the electric field at one point in space due to an electric dipole exciting an arbitrarily shaped dielectric body of revolution (BOR). Specifically, the electric field is determined from the solution of coupled surface integral equations (SIE) for the induced surface electric and magnetic currents on the dielectric body excited by an elementary electric current dipole source. Both the interior and exterior fields to the dielectric BOR may be accurately evaluated via this approach. For a highly lossy dielectric body, the numerical Green's function is also obtainable from an approximate integral equation (AIE) based on a surface boundary condition. If this equation is solved by the method of moments, significant numerical efficiency over SIE is realized. Numerical results obtained by both SIE and AIE approaches agree with the exact solution for the special case of a dielectric sphere. With this numerical Green's function, the complicated radiation and scattering problems in the presence of an arbitrarily shaped dielectric BOR are readily solvable by the method of moments.     

Wigner representation of Bloch electrons in uniform fields

In this paper we calculate the Wigner distribution function and the partition function of Bloch electrons in uniform electric and magnetic fields with the help of the effective hamiltonian. We also calculate the magnetic and the electric susceptibilities. Using standard techniques of operator ordering, the above quantities are calculated in a manner which shows the exact contribution of the electric field.     

Calculation of electric and magnetic induced fields in humans subjected to electric power lines

In this work, analysis of the human body exposed to high voltage electric and magnetic fields is presented. The distribution of the electric field is obtained by using Laplace's equation. This relates the surface charge induced on the body to the potential in a reciprocal Laplace problem, which is then calculated by charge simulation method coupled with genetic algorithms to determine the appropriate arrangement of simulating charges inside the human body. The magnetic field intensity along the vertical center line of the human is calculated. Exposure to external electric and magnetic fields at power frequency induces electric field, magnetic field and currents inside the human body. The presented model for simulating electric and magnetic fields are a three dimensional field problem and introduced different types of charges to simulate the different elementary geometrical shapes of human body. The particular strength of the charge simulation method in this application is its ability to allow a detailed representation of the shape and posture of the human body. The results have been assessed through comparison induced current, electric field, magnetic field and there distribution over the body surface, as estimated in other experimental and computational work.     

Interface Polaron Within Parallel Electric and Magnetic Fields

A combinative method of variational wavefunction and harmonic oscillator operator algebra is used to treat the interface polaron in a semi-infinite polar crystal within parallel electric and magnetic fields perpendicular to the interface. Both the bulk longitudinal optical phonon and the interface optical phonon together with the anisotropic mass of the electron are included. The energy level correction up to the second-order perturbation, cyclotron-resonance frequency and cyclotron mass are expressed as functions of the electric and magnetic fields and a parameter characterizing the mean distance of the polaron from the interface. This theory is used to calculate numerically the single heterostructure AlAs/GaAs, when the electron is at the X high-symmetry point of the conduction band of AlAs. The results show that the magnetic field greatly enhances the polaronic correction of the electron energy levels while the electric field only increases the correction of their surface optical phonon part but obviously decreases that of their bulk optical mode part and thus the total energy correction decreases as the electric field increases. The change of red shift due to the electron-phonon interaction with electric and magnetic fields is also obf ained.