电推进羽流诊断系统探针组件研制及应用验证

为了满足电推进产品研制过程中对产品性能可靠性评价及电推进羽流与航天器相互作用分析的需求,研制了集法拉第探针、阻滞势分析仪、朗缪尔探针、电源处理单元以及测控软件为一体的电推进羽流诊断系统。在LIPS200离子电推进上的性能验证试验表明,所有探针能够获取典型的特征曲线和诊断结果。FP在距推力器出口平面150 mm处测量的离子电流密度在0.02~0.80 mA/cm^(2),密度在0.66~0.80 mA/cm^(2)的主离子束直径为90 mm。柱形LP和平面LP在距推力器出口500 mm处测量等离子体电子温度分别为1.3 eV和1.2 eV,电子密度分别为2.1×10^(15) m^(-3)和2.0×10^(15) m^(-3);等离子电位均为4.6 V。RPA在距推力器出口500 mm处测量的单位电荷离子能量为1001 eV±44 eV(k=2),而LIPS200的总加速电压为1185 V,表明测量结果正确。

微阴极电弧推力器羽流探针诊断研究

微阴极电弧推力器(micro-cathode arc thruster,μCAT)具备功率低和结构简单的特点,能够满足微纳卫星的任务需求,具有良好的发展前景。μCAT羽流的诊断可以揭示推力器的加速机理,对提高其性能具有重要意义。利用朗缪尔三探针对μCAT羽流进行诊断,得到了μCAT羽流不同位置的电子温度、电子密度和离子速度等羽流特性,研究了外加磁场、充电时间和阴极材料对羽流特性的影响。研究结果表明,μCAT放电初期产生的等离子体电子温度较高,密度较大;随着等离子体向下游运动,电子温度和电子密度降低,离子速度增大;外加磁场的磁感应强度越强,电子温度和离子速度越高,电子密度有所降低;磁场位置适当向推力器下游平移,能够有效提高推力器中轴线的电子密度;μCAT充电时间越长,电子温度、电子密度和离子速度越大;相比于CuW和AgW阴极,Ti阴极羽流的电子温度更高,电子密度更低。

离子发动机羽流空间电位诊断

离子发动机羽流空间电位分布不合理可能会造成一系列问题,以至于影响航天器的正常工作。试验使用发射探针对20 cm氙离子发动机束流区等离子体空间电位进行诊断,测点选取轴向距离发动机出口平面250~900mm,径向0~450mm,探针钨丝直径0.1 mm,加热电流1.5~2.5A。发射探针诊断建立在电子热发射基础上,因其I-V曲线拐点较朗缪尔探针更为明显,所以测量得到的空间电位分布更为准确。国外已经广泛使用发射探针测量等离子体空间电位,发射探针的试验数据处理方法仍存在较大分歧。从发射探针工作时的物理过程着手,分析热电子发射多少对空间电位诊断结果的影响,采用不同的探针I-V曲线处理方法并对各种方法利弊进行讨论,分析偏离真实空间电位的原因,比较得到较为合理的结果,对发射探针的结构改造和加热电流的选取提供依据,为发动机性能的改善和羽流仿真模型提供参考。

微波干涉仪测量羽流电子密度反演方法

利用微波干涉仪进行推进器羽流密度测量的反演方法研究.重点针对羽流等离子体密度反演的Abel逆变换数值求解,采用离散化算法、三次样条插值算法、Hankel-Fourier算法以及Nestor-Olsen算法等四种方法进行仿真分析和比较.通过对这四种方法在无噪声和有噪声两种情况下反演误差的比较,找出适用于实际干涉仪数据处理的方法;通过对采样点数和反演之间的关系分析,给出解决欠采样问题的方法和数值参考;在分析比较的基础上,总结数值处理的必要步骤.利用模拟实验测试数据进行验证并对反演结果进行分析.

基于E×B探针系统的霍尔推力器束流特性分析

为探究霍尔推力器羽流中各价态离子能量分布,并以此为依据评估推力器性能,根据Wien条件,设计了一种用于测量稀薄等离子体羽流场不同电荷状态离子分布的E×B探针系统。基于对探针最大输入角离子的运动分析,推导了仅与探针结构参数相关的能量分辨率关系式,并以此为依据设计了探针,使用该E×B探针系统对200 W量级霍尔推力器进行羽流离子成分诊断。分析结果表明:距离推力器出口500 mm处,在中轴线角度0~20°内,单电荷氙离子Xe~+比例分数为90.42%~94.25%,对应的Xe比例分数为9.58%~5.75%;随着角度的增加,Xe~+比例分数减少,Xe比例分数增加,平均电荷增加;推力器的电荷利用效率、电压利用效率分别为99.38%、86.95%。该探针系统的测量结果可为分析推力损失和优化推力器性能提供参考,并可为羽流仿真提供验证。

霍尔推力器束流分布特性实验研究

为消除实验设备的影响,获得霍尔推力器羽流的真实特征信息,用在传统法拉第筒前加准直套的方法对推力器羽流进行了实验研究,得到了不同背景压力下离子电流密度的分布。结果表明:改进型法拉第筒能有效屏蔽电荷交换碰撞产生的低能离子,测得的离子电流密度分布更接近实际。