磁体几何尺寸对环形会切场离子推力器性能影响研究

不同直径的离子推力器系列产品,为磁场约束等离子体设备,磁路结构对于离子推力器性能有重要影响。文章介绍了利用有限元模拟软件MAXWELL对不同尺寸磁体产生的磁场位形进行模拟,进而研究不同磁体几何尺寸对离子推力器性能的影响。结果表明在闭合磁场等值线固定为50 G的前提下,较大厚度/宽度比的磁体产生更大的无场区体积,有利于离子推力器束流平直度的改进,从而提高离子推力器的性能。

两种会切场离子推力器对比研究

为了进一步提升离子推力器性能和可靠性,基于30cm环形会切场离子推力器LIPS-300H和30cm柱形会切场离子推力器LIPS-300Z,对比研究了两类会切场离子推力器各自优劣及其机理。首先分析了两种会切场原理,总结给出了两种会切场差异,然后实验对比研究了两种会切场离子推力器束流均匀性、放电效率和寿命。实验结果显示,LIPS-300H相比LIPS-300Z在3kW和5kW工况下束流密度峰值分别降低25%和19%,放电电压分别降低7.8V和6.2V,放电损耗分别增加31W/A和42W/A。此外,LIPS-300H离子推力器在3kW和5kW工况下屏栅预测寿命分别是LIPS-300Z的7.7倍和4.2倍。结果表明:虽然LIPS-300Z比LIPS-300H具有放电损耗低的优点,但其较差的束流均匀性、较高的放电电压和双荷离子比,使其在寿命和可靠性方面劣于LIPS-300H。

LIPS-200环型会切磁场离子推力器热模型计算分析

为了建立国内自行研制的20cm口径LIPS-200环型会切磁场离子推力器放电室的热模型,研究了放电室内等离子体的产生过程,得到了二次电子的温度、离子密度以及电子密度分布规律,在此基础上得到放电室各个关键部件的电流沉积和能量沉积热模型。以热模型计算结果为依据,进行了推力器稳态工作下的有限元热分析以及热平衡验证试验。结果显示：推力器处于稳定放电时,放电室内电子温度分布范围为2-4eV;电离基本发生在放电室轴线附近,此处电离产生率和电子温度最高,并且整个放电室内离子密度约为10^17/m^3;放电室的内表面能量沉积主要来自二次电子及Xe离子。

多级会切磁场等离子体推力器研究进展

多级会切磁场等离子体推力器是一种电推进装置。在对此类推力器的基本概念、性能优势进行总结的基础上,系统性地回顾了国内外各研究机构不同功率级推力器的发展历程,并介绍了推力器离子加速及电子传导相关物理机制的研究过程。历经21年的发展,多级会切磁场等离子体推力器表现出显著的性能优势,在未来航天推进领域表现出了巨大的发展潜力。德国泰雷兹形成了以HEMP3050推力器为代表的工程化应用产品。我国微观物理机制的研究提升了推力器的认知水平,不同功率级推力器的研究均取得突破性进展,为推力器未来的快速发展奠定了基础。

基于会切场推力器无拖曳系统建模及参数优化

随着卫星重力测量技术的突破性进展,对航天器试验环境要求也在不断提高,航天器受到的残余扰动必须尽可能减小。作为中国将来重力场测量卫星备选主推力器的会切场推力器,其推力器的控制精度直接决定了测量的准确性。文章首先通过PID方法设计了位移模式下的无拖曳控制器,该控制器在预估阻力系数、参考质量与卫星本体的位移差、速度差等性能方面有良好的表现,在应对卫星运行时的突发情况时表现出很强的稳定性。但PID参数没有达到最优解,在此基础上对于该模型的控制精度进行优化,用遗传算法对PID控制的参数进行筛选。结果分析表明,会切场推力器的控制精度有所改善,NTW方向上的速度和位移误差均减小;推力阻力和显著减少;控制精度提高,更好地满足使用需求。

使用不同工质的会切磁场等离子体推力器

会切磁场等离子体推力器是一种利用磁镜约束等离子体产生推力的新型推力器,具有寿命长、推力大范围连续可调等优点,在无拖曳控制领域具有较大的应用前景.分别采用Xe,Kr和Ar三种不同工质,开展了会切磁场等离子体推力器实验.首先,对所用的推力器进行了简要的原理和设计介绍;然后,对三种工质的点火电压分别进行了测试,发现Xe是最容易点火成功的,Kr和Ar点火难度较大.在阳极电流、推力、效率和比冲等性能方面,三种工质在同等条件下也存在明显的区别.分析发现,三者的工质利用率高低导致了性能上的差别,通过提升通流密度能够大幅提升Kr和Ar的工质利用率.在羽流结构方面,法拉第测量结果表明三者都存在明显的空心羽流,且离子电流密度峰值出现的角度随着原子量的减小而逐渐减小.

基于会切场推力器的无拖曳控制系统建模

为了研究航天器无拖曳控制系统的建模方法、评估会切场推力器性能以及传感器测量误差对无拖曳控制系统性能的影响,基于会切场推力器的性能实验数据,采用轨道动力学理论,大气阻力模型和PID控制设计方法完成了无拖曳控制系统设计,并对推力器推力分辨率、推力器瞬态响应时间以及传感器测量误差对闭环控制系统性能的影响进行了研究。仿真结果表明控制系统工作性能良好,推力分辨率以及传感器的测量误差对系统性能影响较小,但是推力器的响应延迟对控制系统精度造成较大影响,需要在后期的推力器设计中进行进一步的优化改进。综合考虑以上因素后,闭环系统在航天器速度方向的最大位移误差为747.51nm,最大速度误差为733.36nm/s,该仿真结果说明了会切场推力器应用于无拖曳任务的可行性。

多级会切场推力器振荡特性模拟研究

目前多级会切场推力器(High Efficiency Multi-Plasma Thruster,HEMPT)数值模拟研究采用的主要手段是全粒子(Paticle In Cell,PIC)模拟方法,但是这种全粒子模拟对计算机的要求较高,因此文章通过建立HEMPT的一维流体模型,再现HEMPT的振荡现象,对放电电流和等离子体参数之间的关联性及等离子体参数分布规律进行研究。沿着两条典型的电子传导路径,利用MATLAB中Simulink模块建立一维流体模型。结果分析表明,推力器内部等离子体参数的振荡周期与放电电流振荡周期一致。推力器的主电离区在两个磁尖端之间,电势降主要集中在出口附近。

100keV,20mA多磁极会切场离子源的研制与调试

一、引 言 在科学技术领域中,离子源的应用越来越广泛,形成了一门独立的学科——离子应用科学。尤其是70年代以来由于离子注入技术应用到材料表面改性的研究取得进展,从而使离子注入技术得到发展。 离子注入材料表面改性是一门新技术,它的优点是离子注入不通过加热形成特定的原子混合,又能快速引入晶格缺陷,从而改变金属的微观结构及相成分,最后导致金属宏观性质的改变。

会切场离子源放电参数的变化对放电特性的影响

介绍了HL-2A装置会切场桶式离子源在实验平台运行时某些放电参数的变化对离子源放电特性的影响。分析并讨论了产生这些现象的原因。这对于提高源的可靠性和稳定性,提高饱和离子流密度,增大引出电流和提高弧效率有一定的指导作用。

40cm离子推力器设计与性能测试

针对我国木星探测、小行星采样返回等深空探测任务对大功率电推进系统的应用需求,开展了大功率离子推力器研究。通过采用四极环形磁钢会切场放电室、束流直径为40 cm的三栅极离子光学系统、石墨顶触持极六硼化镧空心阴极、耐高温磁钢等先进技术和材料完成了大功率40 cm离子推力器原理样机的研制。试验测试了40cm离子推力器原理样机放电损耗、工质利用率、加速栅电流、减速栅电流等工作参数和束流平直度、推力、比冲、效率等性能指标,试验结果显示:该样机在6.94 kW功率下,推力232 mN,比冲4 367 s,效率71%,束流平直度0.72。

离子推力器束流均匀性改善方法研究

束流均匀性是离子推力器的一个重要指标,其代表离子推力器栅极整个引出平面上引出束流密度的均匀程度,一般用束流平直度来表示。从产生均匀束流的必要条件出发,讨论了离子束流均匀性影响因素,并对其影响机理进行了分析。根据讨论结果对典型离子推力器的束流均匀性进行了对比分析。最后总结给出了离子推力器束流均匀化设计应遵循的一般原则。

多模式离子推力器放电室和栅极设计及其性能实验研究

针对小天体探测任务对离子推力器设计要求,完成总体方案设计,开展了四极环形磁钢会切场放电室和凸面三栅变孔径栅极设计,采用试验研究和理论分析的方法研究了放电室、栅极设计的合理性及匹配性,试验结果表明:多模式离子推力器实现了宽范围稳定放电和引出,在277—3120 W功率下,推力从9.9 mN线性增加到117.2 mN,比冲从1269s台阶上升到3492 s,束流发散角从30.7°下降到26.8°并趋于稳定,各工作点矢量偏角小于1.5°,束流平直度大于0.75,栅极稳定化处理是控制栅间距一致性的重要方法,采用应力释放钼安装环热设计后栅极间距极差得到有效控制,最大下降百分比为90%,本研究为离子推力器多模式化设计及在轨应用工程研制提供参考.

基于探针诊断的HEMPT推力等效测量方法

无拖曳卫星任务对会切场推力器(HEMPT)性能有更为精细的技术指标要求,针对目前的三丝扭摆测量系统由于技术限制不能快速精确地反应这些指标,从等离子体原理出发,推导了一种通过探针所测的数据计算推力的等效方法,并经过实验测量进行了验证。测量结果表明:该方法可以在一定范围内较为精确地计算推力,并且为微牛级推力测量以及推力分辨率测量提供了一种行之有效的参考方法。

面向空间引力波探测任务的微推进技术研究进展

微推力器是实现空间引力波探测中无拖曳控制任务的关键。本文在分析空间引力波探测无拖曳控制系统对微推力器要求基础上,通过微推进技术原理开展分析,梳理出了满足要求的微推力器,包括冷气推力器、波电离离子推力器、会切磁场型霍尔推力器和场致发射推力器4种备选方案,并介绍了4种推力器以及基于推力器的无拖曳控制国内外相关研究现状。在此基础上,本文介绍了天琴计划开展以来针对这几种微推力器的研制进展,并对后续应用于引力波探测的微推进技术研究方向进行展望。

碘工质电推进技术研究综述

深空探测任务和微小卫星的迅速发展给电推进系统提出了新的要求,碘工质由于其价格较低,便于存储等优点得到了广泛应用。概述了碘工质在电推进技术的应用现状,介绍了碘工质作为电推进剂在发射成本与存储方面的优势,分析了碘工质的物理,化学,放电特性,为碘工质电推进系统设计及性能优化提供指导,在此基础上分析了碘工质储供系统,真空系统和阴极设计方面所面临的问题及解决思路,列举了目前国际上报道的碘工质电推力器的性能参数。进行了碘工质会切场推力器点火实验,实验结果发现碘工质与氙工质在相同实验条件下放电电流类似,而且100min的实验结果显示碘工质对阳极及推力器通道的腐蚀并不明显。