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。

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。

提高臭氧发生器放电室效率的研究

本文根据管式臭氧发生器放电室的电晕放电功率方程式，分析了臭氧发生器的发展趋势。设计了搪瓷介电体的臭氧发生器放电室。对玻璃和搪瓷材料进行了电性能参数测试。对玻璃和搪瓷介电体的臭氧发生器产率和电耗参数进行了测量比较。结果表明：结构合理的搪瓷介电体臭氧发生器比玻璃介电体臭氧发生器臭氧产率提高了４４％，电耗降低了４２％。

10cm离子推力器放电室性能优化研究

要实现离子推力器较高的效率和比冲等综合性能指标,优化的放电室性能是其首要的前提条件。为了获得10cm离子推力器优化的放电室性能,在放电室初始设计方案基础上,通过对工作参数和结构参数的不同组合试验,开展了性能优化研究,采用的主要手段是关键特征尺寸调节、流率调节和磁场参数的调节。试验获得了不同参数组合的性能变化趋势,得出了优化的放电室结构参数和工作参数。优化后的离子推力器综合性能试验结果表明,在推力15.6m N、比冲3100s的设计工况下放电损耗约为227W/A,放电室工质利用率为91%。

20cm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40mN提高到60mN的目标要求。分析结果表明,提高放电室推进剂流率至2.06mg/s,放电室内放电电流维持在6.9A,放电室内平均氙离子密度达到2.167×1017 m-3时,可以保证引出1.2A的束流,推力器达到60mN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40mN时,推进剂利用率为88%、束流离子生产成本为188.29W/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3.80～6.65eV范围内。

LIPS-200离子推力器放电室原初电子动力学行为的数值模拟研究

为了得到试验测量不到的气体放电过程中电磁场作用下单个原初电子的动力学行为，建立了LIPS-200离子推力器放电室二维仿真模型，应用网格粒子法（PIC）和蒙特卡洛碰撞（MCC）模拟法对其进行了研究。模拟得到在额定工况下原初电子和中性原子之间的碰撞概率、原初电子损耗率、电磁场分布对其运动速度及运动轨迹的影响等。结果表明磁铁表面磁感强度最大，越靠近放电室内部磁感强度越小，对称轴区域无磁场分布，原初电子在电磁场作用下沿磁力线作加速螺旋运动；运动等离子体的自洽电势大小范围仅为0~2.0V，几乎不会影响等离子体运动；对应总原初电子个数为1.2×106时直接被阳极表面吸收的损耗率仅为0.02%。

20cm离子推力器放电室流场计算模拟

为了优化20cm离子推力器放电室内部推进剂供气方式，研究了在不发生气体放电时，推力器阳极和主阴极供气接口处的流体速度和压强，并以此开展推力器放电室内部的流场计算。结果表明：采用单阳极供气管方式，阳极出口处压强为4～158Pa，气流出口速度为0．1～47m／s；阴极小孔出口处的压强约为33．1Pa，出口速度约为12m／s；考虑真空系统的返流作用时，单阳极供气管方式下放电室内部压强为0．OOl～0．4Pa，大部分区域Xe原子数密度为（O．2～3）×10^18／m3，在靠近栅极的部分区域数密度达到9×10^19／m3左右；在增加阳极组件的供气管数量后，阳极的气体出口速度为18-40m／s，放电室压强为0．03～O．1Pa，大部分区域Xe原子数密度为（0．72～2．4）×10^19／m3，靠近阳极与主阴极进气端的小部分区域原子数密度约2×10^17／m3，且放电室内部原子密度整体分布较为均匀。

HL-2M装置5 MW中性束加热束线离子源放电室研制

为了给HL-2M装置建设一条5 MW中性束加热束线,开展了中性束加热用热阴极弧放电离子源放电室的研制。这条中性束束线包含4套80 kV/45 A/5 s离子源,放电室的设计指标为850 A/5 s。首先采用CST软件中的电磁工作室对特定几何结构的放电室会切磁场进行了模拟计算,得到了会切磁场分布,验证了会切磁场布局的合理性。针对放电室加工工艺和实验过程中局部拉弧等问题,对放电室结构进行了不断改进。放电室侧壁由40列会切磁体改为7圈环形磁体,阴极灯丝结构从灯丝板结构最终改为陶瓷可伐结构,并且在放电室和加速器之间增加了陶瓷屏蔽。在阴极板结构放电室和阴极陶瓷可伐结构放电室内都获得了正常的弧放电。最终定型的放电室采用周边7圈环形会切磁体和陶瓷可伐结构。在定型的放电室内达到了5 MW中性束束线离子源弧放电的指标。弧放电时间接近5 s,最大弧放电电流达到1 000 A。

氙离子推力器放电室等离子体离子产生成本的测量与分析

离子推力器放电室等离子体离子的产生成本是影响推力器性能优劣的重要参数之一。从理论上分析了影响等离子体产生离子的能量消耗成本的基本因素,同时测量了不同工作条件下离子推力器的等离子体离子能量消耗成本值。试验结果与理论分析取得了良好的一致性。通过对试验结果的分析,得到离子推力器放电室等离子体离子消耗成本的最佳选取点。

LIPS-300离子推力器放电室设计及实验研究

梳理了放电室工程化设计的基本流程,包括磁场位形设计、几何构型设计、磁极数设计、供气方式设计以及关键参数设计,其中关键参数又包括长径比、磁极位置、磁钢尺寸、阴极位置等。按照上述流程,完成了LIPS-300放电室设计,并通过仿真分析、实验数据对设计的结果进行了验证,证明设计的柱形磁铁四级场、直锥双段放电室,无论放电损耗、束流平直度均优于三级场放电室。

不同磁感强度下LIPS-200离子推力器放电室性能的研究

离子推力器放电室内永久磁铁产生的磁场大小及分布对提高放电室放电效率和约束等离子体起着非常重要的作用。利用离子推力器性能模型并结合试验测得的束流离子生产成本，分析放电室内磁感强度大小对LIPS-200离子推力器放电室性能的影响。数值计算结果显示永久磁铁厚度增加1mm，放电室内的磁感强度从原来的5．0×10^-3～3．0×10^-2T增加至1．0×10^-2-5．0×10^-2T。理论分析结果显示磁感强度增加50％，原初电子平均约束时间增加49．9％、原初电子和中性气体之间的碰撞概率增加6．9％、离子损耗减小64％、束流离子生产成本降低18．1％、推进剂利用率提高7．4％。放电损耗、推进剂利用率与磁感强度大小呈线性关系。该研究能够为今后离子推力器设计提供一定的参考。

放电室长径比与磁体间距对离子推力器原初电子约束性能的影响(英文)

电子约束效率为反映环尖型离子推力器放电性能的重要参数之一,一般采用原初电子的平均约束长度来表征。对于离子推力器,放电室长径比与磁体间距会影响磁场分布,进而影响电子约束效率。放电室长径比与磁体间距的最佳状况是原初电子在放电室中保持尽量长的时间。以二维轴对称的离子推力器放电室为几何模型,发展了计算原初电子运动情况的代码。通过求解Maxwell方程和电子运动方程得到磁场和电子的运动轨迹,从而得到原初电子的平均约束长度。对放电室长径比与磁体间距对原初电子约束性能的影响进行了参数化研究,总结了只考虑原初电子约束时放电室长径比与磁体间距的选取原则。

氙离子推力器放电室等离子体参数测量

论述了离子推力器的工作过程,同时介绍了静电探针的测量原理,设计制作了用于诊断离子推力器放电室等离子体特性的双探针测量系统。装置用于氙离子推力器放电室等离子体测量,获得了放电室等离子体参数(电子温度、离子密度等)与推力器工作参数之间的变化关系。

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%.

离子推力器放电室参数在线优化实验研究

为了改进氙离子推力器传统优化实验方法,针对环切场放电室设计多维优化调节机构,通过步进电机配合电磁铁实现放电室设计参数的在线实时调节。实验中在线调节放电室长径比、中间磁极靴位置、阴极顶位置等参数,得到了放电室性能影响规律,经迭代实验获取了优化后的放电室构型及磁场参数。优化后的推力器性能曲线"膝点"较正交实验结果更加靠后,在工质利用率80%~90%区间内,束离子电离能耗低于正交实验优化结果。在线优化实验方法极大缩短了离子推力器设计周期,降低研制成本,并弥补了传统方法需多次破空导致参数一致性差的不足。

基于ansys的臭氧放电室温度场的模拟分析及研究

根据农田作业设备臭氧喷雾机臭氧产量低、放电室材料容易被击穿等情况,对放电室材料进行合理假设,建立放电室热平衡状态下的简化传热数学模型。利用ansys14.5有限元分析软件,建立放电室温度场的三维有限元模型。以MTY-1圆管型放电室为例,进行温度场初步模拟计算,获得放电室内不同材料的稳态温度场云图分布。结果表明:在内壁管、外壁管相同温度下,整个放电室内温度场分布比较均匀,不同的三种介质材料例如石英玻璃、陶瓷、搪瓷径向温度云图呈现明显变化,这为放电室材料的优化改进提供依据。

离子推力器放电室工作性能的模型与模拟技术研究现状

详细介绍了当前国外在离子推力器放电室理论分析模型和数值计算模型方面的研究进展。并就每种模型的特点、应用范围、前景及所采用的模拟方法进行了叙述。

脉冲等离子体推力器放电室构型参数的影响分析研究

通过开展脉冲等离子体推力器(Pulsed plasma thruster,PPT)放电试验,结合理论计算与分析,研究了放电室构型参数对推力器性能的作用机理与影响规律。结果表明:推进剂烧蚀表面附近电极间距的增大使放电电流的峰值降低;增大电极高宽比使电感梯度提高,并使电磁冲量得到提升。考虑到放电电流集中在推进剂表面附近,电流峰值主要受到放电室上游电极间距的影响,因此,采用在放电室下游增大电极扩张角的方法使电极高宽比增大,通过这种空间上的分离,能够解决增大电流峰值与提高电感梯度之间的矛盾,实现推力器电磁冲量的综合提升。相比于常规PPT所使用的矩形推进剂构型,V形的推进剂构型可有效提升推力器的气动冲量。

环型离子推力器放电室参数对推力器性能的影响

环型离子推力器放电室参数对其推力和比冲等具有显著影响。利用基于混合宏粒子(Hybrid-PIC)解耦迭代算法,对环型离子推力器稳态放电过程进行了三维仿真模拟,发现放电室参数对推力器的推力、比冲、放电损耗、电离率以及放电室出口处离子分布均匀性均会产生影响。研究结果表明,增大环型离子推力器阴极长度,会使原初电子和等离子体在阳极壁面的损失减少,均匀性提高;增加磁体个数对原初电子的自由运动范围影响很小,因而对等离子体分布影响也很小;增大放电室通道宽径比可以增大原初电子的自由运动范围,提高原初电子和等离子体的均匀性。减小放电室内径对原初电子和等离子体的影响更显著。因此,5 kW环型离子推力器的阴极长度应选设计长度的1.5倍,通道宽径比应选设计值的1.2倍。

放电室等离子体诊断朗缪尔探针设计分析

放电室是离子推力器的核心部件,国外开展离子推力器放电室等离子体诊断的实验研究工作较早也较成熟,目前国内开展离子推力器放电室的等离子体参数诊断相关实验研究较少。应用朗缪尔探针可诊断离子推力器放电室等离子体的参数,介绍了朗缪尔探针的基本原理及数据处理并设计了一种用于离子推力器放电室等离子诊断的朗缪尔探针,说明了朗缪尔探针诊断误差的影响因素并提出了相应的处理方法。