国外离子推力器栅极几何形貌测试评价技术的应用与发展

栅极组件作为离子推力器的核心部件,对电推力器的性能、可靠性及寿命起着非常重要的作用。简述了离子推力器栅极几何形貌测试评价技术的主要研究内容,重点论述了国外航天技术先进国家在寿命试验中应用栅极几何形貌测试评价新技术的重要进展,总结了几何形貌测试评价技术的发展趋势。

离子推力器工作全过程数值仿真方案研究

离子推力器具有比冲高、寿命长、推力连续可调等优点,已成为未来空间探测任务推进系统的首选。离子推力器产品的优化设计通常采用实验测量的手段来实现,现有的仿真软件均是针对离子推力器的各个组成组件来开发,忽略了组件之间的相互耦合,为此,亟待开发一款综合考虑各组成部件相互作用的离子推力器工作全过程数值仿真软件。离子推力器结构复杂,且涉及等离子体场、流场、电场、粒子间碰撞以及粒子与壁面相互作用等过程,现有的仿真手段很难实现在同一时空下的数值模拟。提出了一种近似耦合的数值仿真方法,即仍将离子推力器的各组成部件作为一个独立的个体来仿真,但在数值建模时,考虑相关联部组件的影响。分别构建了两两耦合的数值仿真模型,开展了数值仿真计算,仿真结果显示部组件单独工作和耦合工作时组件内部的等离子体微观参数将发生较大变化。

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。

离子推力器溅射沉积物防剥离放电室的设计及激光选区熔化增材制造研究

为了抑制离子推力器寿命末期由溅射沉积导致的放电室膜层剥落物脱落,首先采用理论研究和试验的方法开展了剥落物抑制放电室的设计,基于零件结构和增材制造特点开展了零件工艺性分析并提出解决方案,实现了放电室增材制造,开展了离子推力器放电室溅射物防脱落性能测试。结果表明:放电室内表面设计纹理化结构排布形式为正六边形,凸起部分外接圆直径0.5 mm,间距0.25 mm,高度0.5 mm时可降低溅射沉积物脱落概率及碎屑尺寸,通过分层旋转扫描,选择激光功率425 W,扫描速度1200 mm/s工艺参数可实现大尺寸薄壁、具有复杂微小特征钛合金回转体制造,通过结构拓扑,镂空点阵结构、工艺参数和空间摆放位置优化,成型零件壁厚一致性偏差小于0.10 mm。放电室优化前后推力器性能稳定,各工作点关键参数相对误差小于4%。本文的研究为离子推力器放电室溅射沉积物脱落抑制方法和复杂结构的激光选区熔化增材制造成型提供了工程应用方案。

射频离子推力器研究进展

详细介绍了射频离子推力器的工作原理,以及近60年微牛级和毫牛级射频离子推力器的研究历程和成果。射频离子推进系统涉及多项关键技术难题,针对工质选取、射频电路阻抗匹配、气体流量控制、电中和控制和寿命问题提出了初步解决方案,结合射频离子推力器未来应用的需求,展望了射频离子推力器的发展趋势和研究方向。

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.

微型射频离子推力器自中和引出特性研究

本文基于自行研制的微型射频离子推力器BHRIT-4,针对其自中和引出束流形貌特性、外电路特性和束流离子能量特性开展了研究工作。研究结果表明,推力器在自中和引出模式下,自中和引出束流区亮度高,存在强烈电子激发反应,羽流区平均悬浮电势维持在1.19 V;射频自偏压与引出功率不呈正相关关系,存在最佳引出功率值以实现最大射频自偏压,最大射频自偏压超过300 V;自中和引出束流的离子能量分布函数不服从高斯分布且展宽较大,部分工况下存在双峰信号。

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。

离子推力器电参数对真空度及工质流率的敏感特性实验研究

为探究影响LIPS-200离子推力器地面测试一致性的因素,深入理解离子推力器工作机理,通过实验研究获取了LIPS-200离子推力器电参数对真空度及工质流率的敏感特性。结果表明:真空度从2×10^(-3)Pa至1×10^(-2)Pa的变化过程中,束电流为额定束电流的1.7%左右,而加速电流升高了3倍;在改变中和器工质流率时,束电流及阳极电压几乎没有变化;而在增大阳极及主阴极工质流率的过程中,阳极电压均减小,束电流随着阳极工质流率的增大而逐渐增大,随着主阴极工质流率的增大而逐渐减小。研究结果对提升离子推力器地面测试一致性及优化工作点设置具有参考价值。

国内外多模式离子推力器的性能对比

多模式性能是离子推力器产品应用及产品研制过程中需考虑的重要性能之一。通过对国内外成熟度较高的离子推力器产品的多模式性能对比分析,获得了不同类型离子推力器的多模式性能变化规律,证明了国内离子推力器的多模式性能已达到与国外先进多模式离子推力器相当的水平。定义和对比分析了多模式离子推力器的性能调节能力,结果表明直流环切场推力器性能调节能力最好,射频放电推力器次之,直流发散场推力器最低。

碘离子推力器储罐性能影响因素数值研究

碘离子推力器主要应用于小型卫星的姿态控制和位置保持,其依靠碘工质的升华和电离产生推力。碘工质储供系统的加热方式和结构参数对其工作性能有很大影响。采用动网格方法对离子推力器储罐中碘工质升华相变过程进行数值模拟,讨论储罐加热方式和径高比对其性能的影响。结果表明:从质量流量、流量稳定性和预热时间3个参数综合考虑,四周伴热加热、辐射加热和接触加热3种方式中,接触加热性能最好。在接触加热方式下,储罐径高比对流量变化几乎无影响,流量稳定性很好。对于以大推力为设计目的的碘离子推力器,储罐径高比越小越好,径高比为0.2时的质量流量相比于径高比为1.4时增大了9.0%。对于以高响应速度为设计目的的碘离子推力器,储罐径高比越大越好,径高比为0.2时的预热时长相比于径高比为1.4时增大了80%。

碘工质射频离子推力器放电特性仿真研究

碘作为空间推进器中极具发展潜力的工质,近些年备受关注。与氙气不同,碘工质放电的产物较为复杂,主要是I^(+),同时还包含了少量的I^(-)、I_(2)^(+)、I_(2)^(+)和I_(3)^(+)。虽然多价离子的含量较少,但对推力器的工作性能存在着不小的影响。文章基于等离子体放电建立二维轴对称模型,分别研究了质量流量、射频功率以及背景压力对两种主要电离产物I^(+)、I_(2)^(+)的影响。质量流量为20~70 mL/min,随着质量流量的增加,I^(+)略微降低,I_(2)^(+)略微增加。射频功率为100~650 W,随着射频功率的增加,I^(+)迅速增加,I_(2)^(+)略微减小。背景压力在0.001~0.1 Torr时,随着背景压力的增加,I^(+)先是快速增加,在p0=0.015 Torr左右,开始减小;I_(2)^(+)一直维持缓慢增加。在忽略电离损耗的前提下,对三个影响因素进行全因子实验设计分析(DOE),得出质量流量在60 mL/min,射频功率在150 W,背压在0.015 Torr时,得出最优产物中I_(2)^(+):I^(+)=0.204094,与仿真结果 I_(2)^(+):I^(+)=0.205069,误差为0.48%。

10 cm口径发散磁场离子推力器放电模型

为研究10 cm口径发散磁场离子推力器内部的放电过程并对后续工程改进提供参考,采用COMSOL多物理场耦合软件建立推力器放电模型,获得关键放电参数,并根据试验结果进行验证。模拟结果表明:放电室内部上游磁极和下游磁极之间形成具有强烈发散特性的磁场,并在正交电场的影响下,使电子发生以磁力线为导向中心的霍尔漂移运动;放电室内部气体压强分布均匀且基本在0.1~0.11 Pa范围内,大部分区域的中性原子密度约为1.5×10^(19) m^(-3),流体速度在0.2~0.9 m/s的范围内且呈现明显的黏滞流特性;电子密度峰值出现在阴极出口区域,约为8.57×10^(18) m^(-3),阳极壁面附近及栅极上游区域的等离子密度约为6.8×10^(17) m^(-3)。试验结果显示:采用E×B探针测量得到双核离子占总束流离子比为14.1%,根据COMSOL计算值得到的0.353 mA束流理论值与0.323 mA的束流实测值比对误差为9%,误差主要来自于仿真条件设置及试验测量。研究结果可为离子推力器工程化改进提供快速的放电参数分析及优化设计参考。

电子回旋共振离子推力器研究与应用综述

电子回旋共振离子推力器(ECRIT)以电子的无碰撞加热机制产生等离子体,具有推力范围宽、下限低、可精确控制的特点。本文从原理和工作过程出发,分析了ECRIT对当今空间飞行任务的适用性。围绕这些适用范围,综述了当前原理可行的10cm低推力、2cm微推力ECRIT在不同工质驱动下的研究和应用现状,总结了这些推力器性能的重要特征,分析了制约推力器进一步发展的关键问题。结果表明,ECRIT因为独特的原理和物理过程以及成功的飞行实例,被证明适用于当今深空与近地小行星及引力波探测、微小卫星控制以及地球极低轨道飞行器的阻力补偿。

离子推力器研制及应用现状和启示

离子推力器是目前研究和应用最广泛的电推力器之一,在地球同步轨道卫星位置保持、全电推进、深空探测主推进、无拖曳控制等领域均实现了成功应用,取得了显著的经济和技术效益。本文介绍了国内外离子推力器研制过程和应用情况,给出了各离子推力器采取的主要技术方案和达到的技术指标,以及在研制和应用中遇到的技术问题和采取的解决措施,提出了离子推力器研制及应用经验启示和发展方向。

连续变推力离子推力器双荷离子特性分析与诊断

离子推力器束流离子中的双荷离子在制约栅极组件工作寿命的同时也影响到推力器实际推力的大小,其在总束流中的占比直接决定了推力器寿命、推力等关键性能指标的符合性。为准确、快速研判10 cm氙离子推力器在宽范围推力调节过程中的双荷离子占比,利用放电室经验模型,分析了推力器变推力调节过程中双荷离子的变化特性及其影响因素,结合实际工作参数计算得到了不同推力工况点下双荷离子的理论占比。在此基础上,采用E×B探针诊断系统测试获得了相应推力工况点下双荷离子的实验占比,并将理论计算结果与实验测试结果进行了对比。研究结果表明:离子推力器放电室内双荷离子的占比是关于推力器工质利用率等性能参数及原初电子与麦氏电子间的密度比、电子温度等相关等离子体参数的函数;在变推力调节过程中,随着放电室内阳极功率的增加,束流中的双荷离子比例不断上升,且其引出束流中双荷离子比例分布呈现出强烈的非线性分布,整体表现为伴随增长的趋势。研究为离子推力器在轨控制策略的优化设计及性能评估提供了技术支持。

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。

10 cm考夫曼型离子推力器放电室关键参数优化

放电室构型设计是离子推力器结构设计的基础与核心,直接影响到放电室工作能效及整机工作寿命。针对新型航天器在轨飞行任务对大推力、长寿命连续变推力离子推力器的应用需求,探究了影响10 cm离子推力器整机效能的放电室关键参数因子,揭示了发散场放电室的磁场发散度、电子通道面积及阴极位置等敏感参数对放电室性能的影响作用关系。开展了10 cm离子推力器放电室参数构型的优化与验证。结果表明:在不改变整机结构的情况下,通过优化放电室关键参数,10 cm离子推力器最大输出推力由20 mN提升至25 mN,提升近25%,推力调节范围由1~20 mN扩展至1~25 mN,全范围内推力分辨率均优于50μN,且推力器在20 mN最佳工作点的阳极电压由43.5 V降至38.4 V,放电损耗由345 W/A降至308 W/A,预估整机寿命将由15000 h提升至17500 h。研究为推动10 cm离子推力器的在轨扩展应用提供了一定的技术支撑。

磁感应强度对10 cm连续变推力离子推力器性能的影响

连续变推力离子推力器是重力梯度测量卫星在轨实现非重力阻尼连续、快速、高精度补偿的关键,其性能状态直接决定了卫星任务的成败。针对重力梯度测量卫星无拖曳飞行任务对10 cm连续变推力离子推力器的应用需求,分析了磁场对离子推力器实现宽范围、连续变推力的影响效应。在此基础上,研究了不同阳极供气流量下放电室内磁感应强度调节时整机输出推力的变化规律,获得了磁感应强度对推力器放电电压、工质利用率及放电损耗的影响作用关系。采用法拉第探针得到了磁感应强度与离子束流平直度间的映射关系。结果表明:10 cm连续变推力离子推力器输出推力随着磁感应强度的增加而不断增大,放电电压与磁感应强度之间呈现为非线性的二次多项式关系;随着磁感应强度在一定范围内的增大,工质利用率不断增加,放电损耗逐渐下降,离子束流平直度相应增大,但磁感应强度过大会导致放电室性能出现非预期性变化,等离子体出现失稳现象。研究为构建10 cm连续变推力离子电推进系统的推力控制算法及推力器整机磁路优化提供技术支持。

放电室长度对电子回旋共振离子推力器性能的影响机理

在电子回旋共振离子推力器的结构优化中,放电室长度调节的是栅极与主等离子体区的相对位置,以此影响栅极上游等离子体密度,进而改变推力器离子束流大小及聚焦状态,达到性能优化目的.然而,在一体化仿真研究中发现,施加栅极电压后,Child-Langmuir鞘层前存在高能电子分布,这与传统的放电室仿真存在明显差异.本文认为施加栅极电压后,Child-Langmuir鞘层会排斥电子,使流向栅极的电子返回磁镜区参与加热,最终在磁镜和Child-Langmuir鞘层之间形成了高能电子分布区域.这意味着放电室长度对推力器性能的影响不再局限于相对位置的调节,还能通过调控Child-Langmuir鞘层前的高能电子分布影响等离子体生成.因此,本文采用一体化仿真方法,系统研究了放电室长度对推力器放电和引出性能的影响机理,并讨论了Child-Langmuir鞘层前高能电子分布对电离体系的影响.本文研究将为电子回旋共振离子推力器的结构优化设计提供新思路.