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%。

射频离子推力器壳体结构点阵材料拓扑优化

针对射频离子推力器的壳体结构轻量化要求,研究了点阵材料拓扑优化设计思路和方法。首先,通过静力学仿真和动力学仿真对原结构进行了分析,获得了结构改进基础;其次,应用结构拓扑优化方法获得了结构的传力路径;再次,结合传力路径和壳体结构的安装使用要求,获得了最佳的点阵材料优化设计域;最后,通过点阵材料优化设计,获得了最佳的点阵拓扑优化结构方案。与原结构进行对比,优化方案质量减小31.5;动力学方面,结构模态整体提升,较好避开了推力器工作时的振动频率范围;受载条件下结构最大应力降低达59~67,应力分布更加均匀,结构变形也相应减小,结构刚度有所提升。优化后结构的轻量化和性能改善验证了设计方法的有效性。

射频离子推力器研究进展

射频离子推力器由于高比冲、长寿命、高效率等优点在电推进领域中占有重要地位.为了进一步缩减推进系统的质量和体积,降低成本,一些新型射频离子推力器相继出现,其中无中和器射频离子推力器备受关注.对传统射频离子推力器的国内外研究及发展现状进行了总结,分析了射频离子推进技术中涉及的关键技术,概述了无中和器射频离子推力器的原理及研究进展,给出了射频离子推力器的发展方向和建议.

无中和器射频离子推力器原理研究

在电推力器的广泛应用中,大部分都采用加速正离子的方式产生推力,且需要安装中和器发射电子对喷射出的正离子进行中和,否则会导致航天器自充电,对其通信及电子器件造成损害。因此,中和器的性能成为制约电推力器工作状态和寿命的重要因素。为了克服该缺点,介绍了一种基于同时加速正、负离子的无中和器射频离子推力器,阐述了其结构组成及推进原理,分析了离子-离子的产生、正负离子的加速过程,指出了关键技术包括电负性工质气体放电特性、磁场过滤电子束缚效能,以及可周期性交替加速正、负离子的栅极偏置电压加载方式。分析表明,该推力器在低轨航天器及深空探测器中具有潜在的应用前景。

微牛级射频离子推力器结构优化研究

为了满足中国科学院空间引力波探测——“空间太极计划”对航天器推进系统提出的微牛量级推力高精度控制需求,基于感性耦合等离子体自持放电,设计了一套微牛级射频离子推力器(μRIT-1)。通过理论分析与实验验证,完成了μRIT-1关键结构组件优化工作,包括射频天线、放电室及离子光学系统。根据实验结果,μRIT-1采用7匝线直径为1.6mm的紫铜管作为射频天线,匝间距为2.0mm;放电室材料为氧化铝陶瓷,内径为1.0cm,长径比为1.5;离子光学系统采用双栅极结构,材料为金属钼,栅极透明度为18.05%。经过结构优化,μRIT-1可以实现5~100μN可调推力输出,比冲可达1275s。

微型射频离子推力器放电等离子体全局模型仿真研究

微型射频离子推力器具有结构简单、工作寿命长、推力动态范围大、性能调节响应灵敏等特点,是国际微电推进领域的研究热点之一。射频离子推力器电离室内的感性耦合放电等离子体特性和推力器的性能密切相关。该文建立了多软件联合仿真的射频离子推力器放电等离子体全局模型,对所设计放电室内径为40mm的微型射频离子推力器开展了包含电磁场、温度场、电路、等离子体化学反应的多物理场耦合仿真分析,并研究了等离子体放电特征参数及推力器性能参数随输入功率、屏栅电势、工质流量及射频频率等因素的变化规律。结果表明,所建立的全局模型计算结果与实验数据吻合良好,输入功率、屏栅电势、工质流量是调节微型射频离子推力器性能的主要因素,该研究为综合调控微型射频离子推力器的工作性能奠定了良好基础。

基于放电室均布模型的射频离子推力器研究

为了研究工作参数和结构参数对射频离子推力器放电性能的影响规律,通过开展放电室均布模型数值仿真和推力器性能试验,研究了射频离子推力器LRIT-40的放电机理和放电性能随结构参数和工作参数的变化规律。研究发现,减小长径比或增大工质流率、栅极电压及射频功率均能增大推力器束电流,改善推力器性能。通过分析试验结果和仿真结果得到,放电室均布模型可用于研究射频离子推力器的性能。

放电室长径比对射频离子推力器影响的数值模拟研究

为获得推力器的性能与推力器工况之间的变化规律,利用等离子体密度平衡方程、中性气体密度平衡方程、中性气体功率平衡方程、电子功率平衡方程构成的全域模型对氙工质射频离子推力器开展了数值模拟研究。结果表明,放电室长径比(L/R)的改变引起放电室壁上消耗功率的变化,从而影响推力器的性能。在放电室体积和工质流率不变的情况下,放电室的开口面积越大,越有利于射频功率的转换和推力器性能的提升。此外,改变工质流率导致离子间碰撞平均自由程和碰撞频率发生变化,进而使推力器的射频功率转换效率、推力效率、推功比随工质流率的增加而增加,工质利用率随着工质流率的增加而减小。

1 mN射频离子推力器参数与性能分析

射频离子推力器是空间电推进的一种,其推力性能是系统设计的核心问题。为获得推力特性随设计参数的变化规律,采用数值计算方法进行了研究,开展了1 mN射频离子推力器设计计算,对不同放电室尺寸、流量、射频功率、屏栅电压下的推力性能进行了分析并进行了工况优化。结果表明,模型能够正确地描述射频离子推力器性能变化规律,放电室内径25 mm的推力器即可以实现1 mN推力指标,在最优工况下,推力器推力1.176 mN,比冲2503 s,效率53.13%,满足设计要求。根据该模型研制的推力器样机成功点火,验证了数值模型的有效性,可以利用该模型为射频离子推力器研制工作提供指导。

射频离子推力器放电室结构优化研究

射频离子推力器因结构简单、推力精确可调、工作寿命长等因素,已被广泛应用于航天领域,其中放电室的离子密度是决定推力性能的关键性要素。本文基于电感耦合放电过程建立了二维轴对称流体模型,分别研究了放电室在不同长径比和不同结构等条件下的离子密度变化规律。结果表明:增大射频功率和气压可以提升离子密度,放电室长度在3.5-4 cm时离子密度较高。在放电室直径相同条件下,模型1圆柱结构与模型2圆台结构体积保持一致,减小表面积可以提升离子密度;模型3球壳结构、模型4球壳圆柱结构与模型1圆柱结构的总长度一致,最优的复合结构模型4与单一圆柱结构模型1相比,离子密度提高18.2%,若两者密度相等时,最优的复合结构模型4可以节省15%功率输入或降低10%放电室内气压。

面向火星探测的CO_(2)工质射频离子推力器离子源性能研究

火星是太阳系的行星之一,研究其磁场、大气、气候、构成以及地形地貌将有利于空间资源的开发和利用。CO_(2)是火星大气的主要成分,以CO_(2)为工质的电推进技术的研究对火星探测以及更远距离的深空探测具有重要意义。开展了CO_(2)射频离子推力器离子源点火试验;使用朗缪尔探针诊断腔体内的等离子体参数,并将其和地面试验中常用的Ar工质下的结果进行对比;研究了射频功率对CO_(2)工质腔内等离子体参数的影响;对推力器离子源栅极施加直流电压,进行离子束流引出试验,分析了屏栅电压、射频功率、工质流量和栅极透明度对推力器离子源栅极电流参数的影响。

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。

高频感应等离子体流动模型与微型电推进器流场特性分析

微型射频离子推力器具有结构简单、工作寿命长、推力动态范围大、性能调节响应灵敏等特点,是国际微电推进领域的研究热点之一.射频离子推力器电离室内的感性耦合放电等离子体特性和推力器的性能密切相关.为此,文章建立了低气压、小尺寸微型射频离子推力器电离室内感性耦合等离子体流体模型,开展了电磁场、流场、化学反应浓度场的多物理场耦合仿真分析,并研究了等离子体放电特征参数随推进剂工质气压、放电吸收功率、射频频率以及线圈匝数等因素的变化规律.结果表明,推进剂工质气压、放电吸收功率是调节微型射频离子推力器性能的主要因素,该研究为综合调控微型射频离子推力器的工作性能奠定了良好的基础.