二次电子发射对稳态等离子体推进器加速通道鞘层的影响

稳态等离子体推进器(Stationary Plasma Thruster,SPT)工作时产生的高密度等离子体遇到其加速通道陶瓷器壁时,在陶瓷器壁与等离子体之间形成鞘层。离子会在鞘层电场作用下到达SPT加速通道器壁表面进而复合,而等离子体中的电子由于具有高能可跃过鞘层电场轰击器壁表面,从而产生二次电子发射效应。从器壁表面发射出的二次电子由于受到鞘层电场的排斥,导致其向等离子体源区移动,进而影响等离子体鞘层的特性。建立了考虑二次电子发射效应的无碰撞等离子体鞘层的一维流体模型,研究了二次电子发射对SPT加速通道鞘层特性的影响。计算结果显示,随二次电子发射系数增加,鞘层电势、离子密度、电子密度和二次电子密度增加,而离子速度降低,鞘层中离子密度始终大于电子密度。鞘层中二次电子绝大多数集中在器壁附近,随二次电子穿越鞘层厚度的增加,二次电子密度快速下降。

稳态等离子体推进器羽流场数值模拟

采用二维轴对称模型,使用粒子网格法(PIC)和直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)相结合的方法,对稳态等离子体推进器(SPT)羽流场进行了数值模拟.采用DSMC方法中的随机取样频率法(RSF)求解粒子碰撞过程,并对比了不同的分配电荷方式、电子运动模型及SPT出口条件时的羽流场.将不同条件计算得到的羽流场中距SPT出口0.1m,0.5m及1.0m处的离子电流密度和电荷密度与实验结果进行了对比,得出在采用面积权重法分配电荷、等熵模型描述电子运动和用实验值设定发动机出口参数时对SPT羽流场数值模拟的电流密度和轴向附近的电荷密度结果与实验结果符合程度较好的结论.

负离子对稳态等离子体推进器鞘层的影响

针对为了提高稳态等离子体推进器的推进功率,而从阴极注入少量负离子,采用流体力学方法,建立了包括负离子的一维等离子体无碰撞鞘层模型,讨论了SPT通道内一维稳态等离子体鞘层中负离子的影响.结果表明:随着注入负离子量的增多,导致鞘层空间电子、离子、以及二次电子密度都降低,抑制了器壁二次电子的发射,并且降低了SPT通道的放电性能;而沉积到器壁的正离子动能流随其增加而减少,降低了对陶瓷器壁的腐蚀,可以提高SPT的使用寿命.

通道等离子体环境对稳态等离子体推进器壁面腐蚀的影响

稳态等离子体推进器工作过程中通道的等离子体环境参数会影响高能粒子束的分布,进而影响离子对壁面溅射的情况。本文就加入预电离腔及考虑电荷交换碰撞对壁面腐蚀的影响进行了研究。通过调整模型中预电离率参数,研究了预电离率大小对通道物理特性分布及对通道壁面常规腐蚀的影响。结果表明预电离不会影响通道内主要物理特性,但由预电离引入的额外等离子体会加剧壁面的常规腐蚀。通过加入蒙特卡洛碰撞模块得到了电荷交换碰撞对通道各项物理参数分布和壁面常规腐蚀的影响。结果表明当考虑电荷交换碰撞后,通道内高能离子密度减少,壁面常规腐蚀情况有所减缓。