An equivalent model of discharge instability in the discharge chamber of Kaufman ion thruster

The industrial application of the Kaufman ion thruster in its arc stage is limited owing to the instability of the discharge pulse.Presently,a complete prediction model that can predict the discharge pulse in the high-current stage does not exist.In this study,a complete prediction model for the pulse in the ion thruster is established using the zero-dimensional plasma discharge model and equivalent circuit model.The zero-dimensional plasma discharge model is used to obtain the corresponding plasma parameters by calculating the beam current,discharge current,voltage,and gas flow under actual working conditions.The input parameters of the equivalent circuit model are calculated using empirical formulae to acquire the estimated discharge waveforms.The pulse waveforms obtained using the model are found to be consistent with the experimental results.The model is used to evaluate the process of rapid changes in plasma density.Additionally,this model is employed to predict changes in the pulse waveforms when the volume of the discharge chamber and grid plate transmittance are changed.

Kaufman型离子推力器束流调节理论与试验研究

揭示束流随放电参数的变化规律是推力连续可调离子推力器研制工作的重要内容与理论基础。本文基于低温等离子体基本原理,结合Kaufman型离子推力器构型特点,面向束流调节技术,在充分考虑等离子体放电机制的基础上,从理论上建立描述束流与放电参数之间的函数关系的放电模型,清晰地阐述各放电参数对束流的影响;同时,开展针对性试验研究,用试验数据检验理论模型的正确性。结果表明:束流随放电电流变化较大且呈现线性特征;束流随磁场强度呈现非线性变化规律,且放电电流越大,非线性效应越明显;束流随工质流率变化呈现线性小幅变化。

考夫曼离子推力器放电室数值模拟研究综述及展望

首先分析了影响考夫曼离子推力器放电性能的关键因素,然后按照仿真模型的维度对考夫曼离子推力器放电室数值模拟方法进行了分类综述和优缺点分析,并针对以流体方法为基础的各向异性界面问题进行了分析。在此基础上,概述了零维模型、二维模型和三维模型下针对放电室所取得的数值模拟研究结果。最后对考夫曼离子推力器放电室数值模拟研究进行了总结及展望。

环型离子推力器放电机理研究进展

环型离子推力器是未来大功率电推力器中一个极具潜力的发展方向,将来有望广泛用于探月与载人航天、火星探测等深空探测任务。介绍了环型离子推力器的特点、优势和价值,指出了目前阻碍环型离子推力器发展及应用的关键问题。为了研究环型离子推力器的放电机理,综述了环型离子推力器放电室设计参数,如几何参数、电磁场参数和推进工质分布等,以及对其放电特性的影响;重点介绍了环型离子推力器与传统考夫曼型离子推力器相比差异较大的实验现象。在此基础上,介绍了环型离子推力器放电机理的数值模拟研究现状。最后,对环型离子推力器放电机理的研究及下一步发展进行了展望。

立方体式考夫曼离子推力器极靴结构设计

考夫曼离子推力器因具有高比冲、高效率、长寿命等特点,是应用于航天器的电推进类型之一。过去研究主要集中在轴对称柱状结构考夫曼离子推力器,然而对于未来的模块化立方体卫星,立方体构型推力器非常适合多推力器的组合及多推力器羽流的集中中和,结构紧密并且减少了航天器附件。为此,基于自主设计的立方体式考夫曼离子推力器,采用三维数值仿真方法对推力器放电室进行计算和分析,获取了不同阴极极靴内径下推力器放电室的磁场分布,对比研究了不同极靴构型下放电室电子密度分布和电子温度分布。结果发现,增大阴极极靴内径使得磁场分布均匀性变差,放电室内壁电子温度升高,电子损耗增大,放电室出口离子密度降低。因此,对于这种立方体考夫曼离子推力器,长宽高为15mm×12.5mm×15mm的阴极极靴构型最佳,既可保持较低的壁面电子温度,又有利于推力器出口的离子均匀性。