LIPS-100离子推力器挡板通道面积优化研究

发散场离子推力器挡板通道面积显著影响进入放电室的原初电子能量和密度分布,因此成为影响放电室性能的关键因素之一。为了提高放电稳定性、降低阳极电压和放电功耗,在理论模型指导下,利用试验手段开展了LIPS-100离子推力器挡板通道面积的优化,通过对不同挡板直径和阴极极靴直径的组合试验,获得了优化的挡板通道面积,其值比优化前减小约19%。优化后的试验结果表明,在1~20 mN宽范围工作过程中,阳极电压基本保持在38 V以下,降低了约4 V;阳极电压振荡值降低约一半,在6~15 V之间;20 mN额定工况下的放电功率降低10 W左右。阳极电压降低使得计算分析的推力器屏栅极寿命比优化前提高了50%以上。

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%。

LIPS-300离子推力器双栅极寿命的数值分析

LIPS-300离子推力器为兰州空间技术物理研究所自主研制的双模式离子推力器。推力器在轨运行寿命是决定其是否能够满足未来航天使命需求的关键因素之一。根据未来航天任务对LIPS-300离子推力器系统寿命的要求,即采用LIPS-300离子推力器完成所有在轨任务所需要的时间为10 098 h。因此,为了准确预测LIPS-300离子推力器运行过程中其关键部组件单点失效的栅极组件寿命,文中建立了LIPS-300离子推力器栅极组件寿命模型,利用数值仿真计算的方法(PIC/MCC)预测了推力器分别单独工作在210 m N和80 m N时栅极发生失效所对应的寿命,并分析了关键失效模式,同时计算了推力器在大推力210 m N模式下工作6 000 h后,继续在小推力模式80 m N工况下栅极对应的寿命和关键失效模式。另外,分析了不同工况下LIPS-300离子推力器栅极寿命是否满足未来航天使命的寿命需求,即安全裕度。数值结果显示,LIPS-300离子推力器分别单独工作在210 m N和80 m N时,其栅极工作寿命分别为16 064.3、26 633.2 h,安全裕度分别为1.3、2.2,两种情况对应的关键失效失效模式均为电子反流失效;LIPS-300离子推力器在210 m N大推力模式下工作6 000 h后,继续在小推力80 m N下工作,此时对应的寿命约为22 064.3 h,安全裕度为1.8,关键失效模式为电子反流失效;推力器单独工作在210 m N和80 m N及双模式下工作时的安全裕度分别为1.6、2.6和2.2。

LIPS-200离子推力器束流模型及其应用

建立了基于测量数据基础的LIPS-200离子推力器束流模型,给出了模型中积分发散问题的解决方法。应用模型计算了LIPS-200推力器中远场束流分布,给出了束流发散角、推力修正因子、南北位保推力器安装角等应用实例。

LIPS-200离子推力器放电室出口离子密度分布研究

为了明确国内200 mm口径离子推力器放电室出口(即栅极上游附近)离子密度径向分布,采用实验与数值仿真相结合的方法对LIPS-200推力器放电室出口离子密度进行研究。应用法拉第筒分别测试推力器栅极下游50mm和100mm位置处束流特性,结合经验模型计算出栅极出口(z=0mm)束流离子径向分布。在此基础上,通过栅极数值模拟仿真,分析出栅极系统透过率随栅孔电流变化关系,进而反推计算出放电室出口离子密度径向分布。结果显示:放电室出口离子密度平均值约为9.0×10^(17)m^(-3),最大值约为1.54×10^(18)m^(-3),最小值约为4.6×10^(17)m^(-3);离子密度径向分布具有较好的中心轴对称性,离子密度从中心处沿着径向先缓慢减小,在径向位置约为50mm时出现快速下降;对比放电室出口与栅极出口离子密度径向分布发现,中心位置两者相差最大,边缘处相差最小。

20cm口径离子推力器寿命模型及评估

为了系统地分析LIPS-200离子推力器交换电荷(CEX)离子对加速栅壁面的轰击溅射腐蚀机理,本文针对该推力器栅极系统最关键的两种磨损失效模式,即加速栅结构失效和电子反流失效,利用数值模拟Paritle-in-cell(PIC)和Monte-Carlo collision(MCC)方法,仿真模拟了束流引出过程中CEX离子的产生、加速及引出过程,得到了主束流离子空间位置分布、静电势分布、CEX离子分布和对应的密度分布。同时,采用数值仿真计算和理论分析相结合的方法对栅极寿命进行了评估。计算结果显示在现有几何结构和工作电参数一定的情况下,LIPS-200离子推力器栅极系统能很好地引出束流离子,无CEX离子直接轰击到加速栅壁面,程序统计到的整个栅极系统加速栅壁面截获的CEX离子电流约为9.76×10-4A。证明了加速栅电流的主要来源是冲击到壁面的CEX离子,计算得到的加速栅电流与束流电流比例为0.122%。LIPS-200离子推力器栅极寿命为11230.1 h,其对应的关键失效模式为加速栅结构失效。

基于等效磁路的LIPS-200离子推力器磁场特性

以放电室阳极振荡电压和放电损耗的最小化为目标,结合正交试验方法,获得了性能提升后可实现长期稳定工作的LIPS-200离子推力器最佳磁路结构与磁场构型。基于此,运用等效磁路方法,采用有限元离散形式,建立了LIPS-200离子推力器放电室磁场模型,研究了特定空间排布下电磁体的永磁体替代方案。利用放电室磁感应强度测试和整机工作性能对比验证了永磁体替代方案的等效性及分析方法的可行性和计算结果的正确性。结果表明:两种磁场状态下的推力器放电室特征位置磁感应强度相对误差低于5%,且推力器工作敏感参数变化情况符合预期,满足磁路等效目标,达到磁路结构再优化,工作性能再提升的整体目标。