30cm离子推力器栅极组件热应力及热形变计算模拟

为了降低30cm口径离子推力器栅极组件工作时的热形变位移,采用材料力学分析以及有限元分析方法研究了边缘不约束和边缘约束下的栅极组件热应力分布以及热形变位移,提出了相关的热应力降低措施并进行了模拟验证。结果显示,将栅极等效为圆形平板且边缘无约束时,水平方向的拉伸应力引起的最大热形变位移约为0.3mm,栅极几何中心处的热应力最大,约为1.5MPa,法线方向的热形变位移基本为0;将栅极等效为圆形平板且边缘约束时,最大挠度出现在结构几何中心处,约为1.255mm,水平方向最大拉伸形变量为0.01mm,理论计算值与仿真结果基本一致,且真实栅极拱形结构在此约束条件下会产生更大的热形变位移,可能导致栅极的聚焦性能变差以及栅极之间的短路现象;热设计改进措施验证表明降低结构的整体温度并且更换热膨胀系数较低的材料是减小热形变位移的较好措施。

30cm离子推力器三栅极组件设计参数对寿命的影响研究

为了研究30cm离子推力器三栅极组件设计参数对预估寿命的影响,在完成失效模式分析的基础上,通过PIC-MCC方法对离子推力器三栅极组件的离子溅射速率进行了计算,建立起栅孔二维寿命预估模型,并针对栅极设计参数对预估寿命的影响进行研究。结果显示:导致三栅极组件的主要失效模式为5kW高功率模式下的离子直接轰击所造成的栅极早期结构失效,且减速栅的过快离子溅射腐蚀成为影响三栅极组件寿命的关键,而不同工作模式不会产生新的失效方式,仅影响栅极的离子溅射速率以及寿命;在现有三栅极设计参数条件下,当推力器工作时,栅极引出的离子束流处于明显欠聚焦状态,且加速栅寿命预估值约为9062h,而减速栅约为2642h;通过PIC-MCC方法得到的栅极三个关键设计参数对寿命的影响模拟结果显示,降低加速栅电压对提升减速栅寿命的作用较小;缩小加速栅与减速栅冷态间距后,离子溅射速率会随着冷态间距的缩小逐渐降低,冷态间距由1mm缩小至0.6mm后,减速栅在5kW工况下的工作寿命可提升至10726h,且经试验验证该间距可满足推力器力学环境试验要求;缩小屏栅孔径对改变离子束流引出形状具有显著作用,单孔束流发散角度随着屏栅孔径的缩小出现了明显降低,且束流离子几乎不会再直接轰击至减速栅上游区域,当屏栅孔径由1.9mm缩小至1.6mm后,减速栅工作寿命可提升至9259h;分析结果对后续开展栅极组件的寿命优化设计提供了参考。

20cm口径离子推力器栅极组件结构性能分析

为了对20cm口径离子推力器栅极组件开展结构性能模拟分析,通过材料力学分析方法对栅极组件进行结构等效处理并进行验证,利用ANSYS有限元软件得到推力器的模态分析结果和栅极组件的模态振型,并开展基频扫描试验验证模态分析结果的正确性,最后模拟了推力器在1600g冲击载荷作用时,栅极组件的应力分布和形变结果。结果显示：将栅极组件等效为拱高不变且无孔的结构后,屏栅等效弹性模量为20.79GPa,加速栅等效弹性模量为89.43GPa;栅极组件表面的螺栓预应力大约在20~33MPa范围之间;模态分析结果显示,大于320Hz的振动频率时,栅极组件会出现较大的结构变化;通过10~1000Hz的基频扫描试验得到推力器基频在168Hz,分析结果 （185.23Hz）相比误差约10%;1600g的冲击载荷作用下,栅极组件边缘处最大形变达到约0.27mm,且表面边缘处的应力相对中心处较大,更容易发生破裂。

空间在轨环境下的30cm离子推力器三栅极组件间距变化仿真分析

采用有限元仿真(FEM)与地面热平衡试验验证相结合的方法,计算并模拟了30 cm离子推力器处于在轨环境时,有、无主动热控对三栅极相对位移变化造成的影响,并对目前离子推力器设置的工作启动流程可能造成的打火风险进行了预估。结果显示:三栅极组件的热形变方向均为法向方向,且栅极中心区域的间距最小;在-269℃在轨极限环境温度下,推力器在5 kW工作模式下温度平衡后的屏栅与加速栅最大热态间距为0.14 mm,加速栅和减速栅则已发生贴合;在受太阳辐照以及卫星帆板恒温边界的影响下,栅面最低初始温度为-102℃;当推力器主动热控保证温控点为20℃时,栅面最低启动温度为-25℃,且推力器工作8000s后,屏栅与加速栅、加速栅与减速栅的最小间距分别稳定在0.25 mm和0.20 mm;当推力器主动热控保证温控点为50℃时,推力器工作9000s后,屏栅与加速栅、加速栅和减速栅最小间距分别稳定在0.31 mm和0.30 mm,能够满足0.25 mm的栅极安全打火间距要求。

不同环境温度对30cm离子推力器三栅极组件的离子刻蚀速率影响分析

为了对不同环境温度造成的30cm离子推力器三栅极组件离子刻蚀速率的影响进行分析,采用有限元仿真与试验验证相结合的方法,计算并试验验证了不同环境温度下的三栅极组件热平衡温度以及栅极间的相对位移变化,采用流体方法模拟了不同环境温度(20℃,-70℃,-120℃和-170℃)对三栅极组件的刻蚀影响,并结合短期寿命试验结果进行验证。结果显示:随着环境温度的降低,屏栅达到温度平衡的时间无变化,而加速栅温度平衡所需的时间则明显延长,20℃下的屏栅和加速栅热仿真结果与室温下推力器热平衡试验结果比对误差分别为7%和5%;其次环境温度的降低,会导致屏栅与加速栅的中心间距和边缘间距均缩小,而加速栅和减速栅的边缘间距却逐渐拉大,仿真结果与栅极热间距摄像测量结果符合性较好;根据三栅极组件的栅孔径扩大率随环境温度变化的计算结果来看,加速栅中心和减速栅边缘是离子刻蚀的主要位置,轰击至加速栅中心区域的离子数速率约是边缘的3倍,而轰击至减速栅边缘区域的离子数速率是中心的2.5倍,且环境温度的降低对加速栅中心区域离子刻蚀的影响更为强烈;经2100h的寿命试验验证,仿真结果与试验结果基本符合,误差经分析认为主要来自于流体方法的参数设置过程以及栅孔壁面均匀刻蚀的计算假设。

30 cm离子推力器栅极组件热形变位移分析研究

栅极组件是影响离子推力器束流加速引出的核心部件,其在工作过程中随着热量累积形成的热形变位移是影响工作性能的关键因素。采用有限元分析方法对30 cm离子推力器三栅极组件随工作时间变化导致的热形变位移进行了模拟,重点对栅极间距变化过程进行了模拟计算,并对单个栅极达到温度平衡的时间进行了模拟,预估了三栅极组件的冷态启动时间,并对栅极组件在工作期间内随温度变化造成的打火风险进行了预估。

基于均匀化方法的离子推力器栅极组件的有限元分析计算

离子光学系统是离子火箭发动机推力器中装配要求最严格的部件之一,其性能的好坏直接影响推力器的性能。栅极是离子光学系统的主要组件,其结构为多孔球面薄板。基于均匀化方法利用ANSYS有限元软件建立了球面栅极组件的有限元模型,分别进行了栅极组件的模态分析和均布载荷下的位移、谐响应分析,为设计、加工和装配提供可靠的数据。

离子发动机栅极组件的热应力分析

离子发动机栅极组件的热应力、热形变分析是栅极组件工程化设计的重要内容之一。建立了栅极组件热应力分析模型和计算方法。针对20cm氙离子发动机钛栅极组件的结构,具体进行分析计算。结果表明,钛栅极组件的热应力满足工程应用要求。

LIPS-200E离子推力器栅极组件最敏感参数分析

为了解决LIPS-200E离子推力器工作过程中加速栅截获电流较大的问题,本文针对该推力器栅极组件建立了二维数值仿真计算模型,采用仿真计算和理论分析相结合的方法,系统分析了栅极组件几何结构参数和工作电参数对其束流离子聚焦状态的影响。分析结果显示,相比其他结构及电参数,栅间距是影响束流离子聚焦和加速栅截获电流的最关键影响因素,当栅间距为0.06 mm时,栅极组件能很好地引出束流,无任何离子被加速栅所截获。分析结果和实测结果符合一致。

30cm离子推力器栅极组件寿命预估及试验验证

为了预估30 cm离子推力器现有三栅极组件的整体寿命,采用有限元分析和PIC-MCC方法分别对栅极组件的热态平衡间距以及栅极不同区域的刻蚀速率进行了模拟和计算。结果显示,推力器达到热平衡状态时,减速栅整体变形呈现中心局部凹陷特征,加速栅整体变形呈均匀突起;在直径0~70 mm内的中心区域,两栅间距平均缩小0.057 mm;在直径70~140 mm内的环形区域,两栅间距平均增大0.129 mm;减速栅边缘区域小孔在1 500 h内的刻蚀速率达到6.25×10^(-14) kg/s,而5 700 h的栅孔刻蚀速率相比1 500 h的降幅达到了15.4%;5 700 h的加速栅中心和边缘以及减速栅中心区域小孔的刻蚀速率相比1 500 h的降幅分别达到了8.0%、4.1%和3.6%。5 700 h的寿命试验结果显示,减速栅中心孔、加速栅中心和边缘孔的刻蚀基本呈线性,仿真与试验结果的比对误差均在10%以内。

不同布孔方式下栅极组件冲击振动分析

基于有限元法建立多孔球面栅极板的结构模型,计算结构在离子流冲击载荷作用下的振动响应,分别考虑正方形和菱形两种不同布孔方式及不同开孔半径对结构性能的影响,得到栅极中心点处的位移、速度和加速度运动规律,以及螺栓与法兰连接处的应力响应。结果表明,不同的布孔方式和开孔半径对结构的性能有一定的影响,而正方形布孔方式更加合理;孔径的大小也影响结构的承载能力。通过对多孔球面栅极板的冲击振动分析,可以为多孔材料的安全设计提供有效的理论依据。

离子推力器栅极组件温度场仿真分析及试验研究

栅极组件热变形是影响离子推力器工作性能及工作寿命的主要因素,为研究栅极组件升温过程中温度场分布及变化规律,探索能较准确模拟栅极温度场的方法,建立了栅极组件1/12全尺寸有限元模型进行温度场仿真计算。同时,基于实验室搭建的温度测量平台,测量了大气环境下加热时栅极组件的瞬态温度变化。对比有限元分析求解与试验过程中的温度场,加速栅平均误差为14.4%,屏栅平均误差为9.7%,双栅最大误差不超过18.4%,验证了有限元模型及方法的可信度和合理性。

离子推力器三栅极组件热形变仿真分析及试验研究

栅极组件是离子推力器束流引出、加速和聚焦的核心部件。推力器工作过程中栅极组件的热形变是影响离子推力器工作性能和寿命的关键因素之一。通过建立栅极组件的结构等效模型,模拟了栅极组件的温度分布,运用有限元软件绘制出同一时刻栅极组件表面不同位置沿着径向坐标热形变位移曲线,分别计算出栅极组件中心点处屏栅-加速栅、加速-减速栅极间距在启动过程中随时间的变化量,用非接触光学测量方法对仿真模型进行了验证。试验结果与仿真结果有很好的一致性,在一定程度反映了栅极组件热态栅间距与冷态栅间距的关系,有助于对栅极溅射腐蚀、栅极形变和非预期性击穿等问题的研究。

离子推力器栅极组件有限元的建模及热变形研究

为研究离子推力器栅极组件热变形规律,分析不同开孔率及开孔方式对栅极热变形的影响,使用壳单元、体单元及梁单元建立了栅极组件全尺寸有限元模型进行计算。结果表明栅极热变形呈中心对称分布,并且随着开孔率增大,栅极热变形减小,另外在开孔率不变的情况下,不同开孔方式对栅极热变形影响非常小。

离子推力器碳基材料栅极研制与应用现状及启示

离子推力器是广泛应用于空间航天任务的电推力器之一,栅极在离子推力器中承担着引出离子并加速进而实现推力的作用,直接影响推力器性能及寿命。相比于传统钼栅,碳基栅极具有热膨胀系数低、耐离子溅射高等优势,是未来高比冲、大推力、长寿命离子推力器栅极的理想候选材料,已被国外部分先进离子推力器成功在轨应用。分析对比了不同栅极材料特性,调研总结了国内外碳基栅极研制过程及技术特点,并报道了作者近期在小口径不同构型C/C栅极与一体化C/C栅极研制方面的相关进展,最后针对我国离子电推进发展趋势,提出了后续碳基栅极研究的经验启示与建议。

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。

离子推力器栅极材料的发展现状

离子推力器是一种应用广泛的电推力器。栅极在离子推力器中用于将离子引出并加速产生推力,是决定离子推力器的性能以及可靠性的关键组件。近年来,用于制备栅极的材料由钼等金属材料过渡到碳基材料,尤其是C/C复合材料具有更优的热稳定性与耐离子溅射性能,是大承载、长寿命、高稳定性离子推力器理想的栅极候选材料。一些国家已开展C/C复合材料栅极研制并实现星际飞行,而我国栅极材料仍采用金属钼,C/C复合材料栅极工程应用仍处于空白。本文主要总结栅极材料的发展现状,分析各种栅极材料的优缺点,并探讨各国C/C复合材料栅极的制造技术。

离子推进C/C栅极的设计与力学分析

为了合理设计离子电推进器C/C复合材料栅极,并有效掌握栅极的横向刚度变化规律,以10 cm离子电推进系统为应用对象,设计了C/C复合材料栅极的编织结构.利用ABAQUS软件,分别建立加速栅和屏栅的有限元模型,引入周期性边界条件,将非均匀的复合材料栅极均质化,分析了栅极组件特征单元体受载下的应力分布规律,并预测了其宏观等效材料参数.讨论了材料组分性能对整体栅极横向刚度的影响,并与现有钼栅极的力学性能进行比较.结果表明,采用C/C栅极取代钼栅极的设计方法是可行的. C/C栅极的横向刚度取决于碳纤维的拉伸模量和基体的弹性模量,可选取更高拉伸模量的碳纤维提高栅极横向刚度.

曲面栅极朝向对离子推力器影响的试验研究

离子推力器主要有两种构型的曲面栅极:凸面和凹面。为了研究曲面栅极朝向对离子推力器工作特性的影响,采用兰州空间技术物理研究所自研的LIPS-100离子推力器,开展了20 mN推力工况下两种构型栅极的放电损耗、束流密度分布和低温启动等工作特性对比试验。结果表明:与凸面栅极相比,凹面栅极的放电特征尺寸小、热态栅间距大;采用凹面栅极的推力器可在-90℃极限温度环境下10 s内满功率启动,但放电损耗增加了5.3%;同时,凹面栅极引出的离子更为聚焦,束流发散角减小了18.6%,引出束流平直度下降了19.6%。研究结果可为国内离子推力器研制中栅极构型的选择和优化提供依据。

离子推力器C-C复合栅多工况热态微位移研究

针对LIPS-100离子推力器C-C一体化复合栅极组件设计问题,利用热特性计算模型开展栅极热力学特性研究。采用Workbench瞬态热分析法研究了两种曲面朝向的C-C栅极热性能参数,并与传统金属钼栅进行了对比分析。结果表明:等工况、等球面构型、等栅间距条件下,C-C复合栅较钼栅组件质量减轻35.7%,热态分析温度上限降低19.6%,升温速率降低21.3%;C-C复合屏栅较钼栅微位移减小0.151 mm,加速栅微位移减小0.123 mm,具有更高的抗热冲击性,可有效缓解推力器工作前期栅间距波动较大的问题;同一C-C复合栅材料下,球面朝向结构不同,栅极中心-开孔区边缘热态微位移不同,凸型栅较凹型栅加速栅微位移量降低0.025~0.038 mm,可有效提升加速栅开孔区磨损寿命。对于小尺寸离子推力器,凸面C-C复合栅组件抗热冲击性优势明显。