微型电子回旋共振离子推力器离子源结构优化实验研究

微型电子回旋共振(ECR)离子推力器可满足微小航天器空间探测的推进需求.为此,本文开展直径20mm的微型ECR离子源结构优化实验研究.根据放电室内静磁场和ECR谐振区的分布特点,研究不同微波耦合输入位置对离子源性能的影响,结果表明环形天线处在高于ECR谐振强度的强磁场区域时,微波与等离子体实现无损耦合,电子共振加热效果显著,引出离子束流较大.根据放电室电磁截止特性,结合微波电场计算,研究放电容积对离子源性能的影响,实验表明过长或过短的腔体长度会导致引出离子束流下降甚至等离子体熄灭.经优化后离子源性能测试表明,在入射微波功率2.1 W、氩气流量14.9μg/s下,可引出离子束流5.4 mA,气体放电损耗和利用率分别为389 W/A和15%.

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.

氮工质ECRIT离子源性能计算与实验研究

2 cm电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)具有无热阴极、比冲高等特点,适用于吸气式电推进系统。为了适应低轨道氮氧混合大气成分特点,开展氮工质ECRIT离子源的性能计算与实验研究,是分析ECRIT应用于吸气电推进系统的可行性的重要基础。建立了氮工质2 cm ECRIT离子源的整体模型并计算其性能,再与实验结果相互对比,分析两者差别。研究结果表明:①当离子源的输入功率为8 W,气体流量为2 ml/min时,离子引出束流和推力的计算与实验结果均达到最大值,引出束流分别为16.2与12.5 mA,推力分别476.6与368μN。②当输入功率为8 W,气体流量为0.6 ml/min时,比冲的计算与实验结果为2095.8与1855.6 s,均达到最大值,离子引出束流、推力和比冲的计算与实验结果的相对误差变化范围均为2%~32%。③当计算采用的输入功率为8 W,气体流量为1 ml/min,实验采用的输入功率为8 W,气体流量为0.8 ml/min时,离子源都处于最优工作状态,此时推进剂利用效率较高,分别为17.8%和16.2%;离子能量损耗较低,分别为443.9和596.2 W/A。