阳极层霍尔推力器刻蚀机理与仿真研究

基于等离子体放电理论,利用三维粒子仿真方法,针对阳极层霍尔推力器的极靴刻蚀进行数值仿真研究。获得入射到上、下极靴的入射离子能量和角度的分布,以及上、下极靴不同表面的轰击离子数量。由结果可知阳极层霍尔推力器的上极靴上表面、上极靴内表面以及下极靴内表面这三个面上轰击离子数量较多,为其他三个面上轰击离子数量的30倍。接着详细分析放电电压、磁场强度、气压对三个面的刻蚀速率分布的影响。此研究结果为推力器寿命评估以及降低内下极靴刻蚀程度提供了可靠的研究方法。     

阳极层霍尔推力器的阳极分段形式对束流分布的影响

由于圆柱形阳极层霍尔推力器的阳极分段形式会影响到推力器内电势的分布,进而影响到推力器内放电等离子体中电子的运动形式和工质的电离率。本文主要从实验和仿真模拟两个方面来分析不同的阳极分段形式(单段阳极、两分段阳极、三分段阳极和四分段阳极)在同样的工作条件下,对离子束流分布的影响。通过结果分析来指导阳极的结构设计。由结果可知两分段阳极时的离子束电流和离子束能量较高。在束流直径35mm内的四种阳极分段形式下的束流电流分布有一定的差别,其他位置基本相同。900V的放电电压下,两分段阳极下的束流能量分布比三分段阳极的整体上均高32e V左右,比单阳极和四分段阳极高20e V左右(除去中轴线和边沿附近)。此研究结果对圆柱形阳极层霍尔推力器的阳极设计提供了可靠的理论依据。     

阳极层霍尔推力器阳极上电流振荡的实验探究

将圆柱形阳极层霍尔推力器的环形阳极分成独立两段,通过观测两个独立阳极段之间的电势差信号以及每个独立阳极段上的电信号来探究阳极上的电流振荡情况。结果表明:放电电压的提高加速了阳极段的电流振荡频率,并且提高电流振荡的振幅,随着放电电压的增大,振幅的大小不会一直增大,最终会到达一个饱和值。阳极段上电流振荡幅度较大,因此抑制这种振荡起伏对提高推力器的稳定性具有重大意义。     

变工况下自励磁模式LHT-60霍尔推力器放电特性试验研究

针对低轨互联网星座轨道维持、寿命末期轨道提升任务需求,兰州空间技术物理研究所研制了口径为60 mm的LHT-60霍尔推力器.研究了LHT-60霍尔推力器变工况下的放电特性,进行了自励磁模式下,放电电压200～350 V、质量流量1.1～2.0 mg/s工况的推力器工作特性试验.结果表明,推力器在各工况点均可稳定工作,工...     

LHT-100霍尔推力器滤波设计与放电震荡关系研究

为了对LHT-100霍尔推力器放电震荡进行抑制,研制了与推力器相匹配的放电震荡抑制装置。结合国内外霍尔推力器放电震荡研制背景,通过仿真分析和集成试验两种手段,对LHT-100霍尔推力器放电震荡情况进行了研究。根据试验结果表明滤波参与下放电回路震荡得到了有效抑制,为电推进系统稳定工作提供了可靠保障。     

霍尔推力器内放电等离子体数值仿真分析

为研究霍尔推力器通道内放电过程和等离子体的分布情况,对霍尔推力器建立二维仿真模型。得到推力器通道中Xe~+和Xe~(++)数密度分布、速度分布、电流密度分布、电势分布和电子温度分布等,通过不同时刻Xe~+和Xe~(++)离子数密度的变化,观察到推力器内放电达到稳定运行的过程。由结果可知此推力器工作电压350V,电流4.2A,工质气体流量42SCCM时的比冲约为1300S。与文献中报道的实验结果和数值模拟结果对比,具有很好的一致性。一方面验证了该模型用于霍尔推力器数值仿真的有效性,另一方面得到了稳态霍尔推力器内较详细的放电等离子体参数分布。     

基于霍尔离子源的小型化电推力器仿真设计

市场化、小型化将成为中国商业遥感卫星发展的主流趋势,但与之相应的小型化推进系统是制约小型商业遥感卫星应用的一大因素。从上述原因考虑,本文以现有技术相对较为成熟的阳极层霍尔离子源装置结构为基础,通过粒子网格结合蒙特卡罗碰撞方法的数值仿真手段,对不同结构的小型化装置放电性能进行预测,分析影响装置工作性能的关键因素,最终得到装置小型化设计依据,为适用于小型化商业遥感卫星的电推力器提供又一种选择。针对小型化霍尔推力器装置的数值仿真计算结果显示,装置结构小型化设计的难点在于由放电区域缩小造成的放电效率和工作性能的下降,可以通过增强内外磁极之间磁场或延长电子在内外磁极间振荡路径来解决上述问题。     

圆柱形阳极层霍尔推力器的内磁极刻蚀研究

本文重点研究引起圆柱形阳极层霍尔推力器的内磁极刻蚀的入射离子能量和入射角分布,仿真中考虑入射离子能量和入射角分布大小的变化,进而得到相应的刻蚀速率。由仿真结果可知,放电电压400 V,阳极表面磁场强度175×10^-4T,中心最大刻蚀速率为3×10^-9m/s。磁场提高到205×10^-4T时,中心附近刻蚀速率增加到原来的1.3倍左右,边沿处的刻蚀速率基本相同。在175×10^-4T的磁场强度时,把放电电压从400提高到600 V时,中心附近的刻蚀速率从3×10^-9提高到12.1×10^-9m/s,刻蚀速率增加了4倍多。此仿真结果与150 h的实验结果一致。此研究方法和结果有助于圆柱形阳极层霍尔推力器的设计和寿命评估工作。     

圆柱形阳极层霍尔推力器的内磁极刻蚀研究北大核心CSCD

本文重点研究引起圆柱形阳极层霍尔推力器的内磁极刻蚀的入射离子能量和入射角分布,仿真中考虑入射离子能量和入射角分布大小的变化,进而得到相应的刻蚀速率。由仿真结果可知,放电电压400 V,阳极表面磁场强度175×10^(-4)T,中心最大刻蚀速率为3×10^(-9)m/s。磁场提高到205×10^(-9)T时,中心附近刻蚀速率增加到原来的1.3倍左右,边沿处的刻蚀速率基本相同。在175×10^(-9)T的磁场强度时,把放电电压从400提高到600 V时,中心附近的刻蚀速率从3×10^(-9)提高到12.1×10^(-9)m/s,刻蚀速率增加了4倍多。此仿真结果与150 h的实验结果一致。此研究方法和结果有助于圆柱形阳极层霍尔推力器的设计和寿命评估工作。     

高电压阳极层霍尔离子源三维数值仿真与设计

对于阳极层霍尔离子源装置本身, 宽能、大束流、低气耗及低污染等指标是新一代装置的研发方向。基于拓宽装置放电电压范围的考虑, 针对装置现有结构, 进行了三维数值仿真建模。在现有装置的结构设计基础上, 对装置磁路及结构设计进行修改, 从而实现了对装置工作性能的提高。改进后的阳极层霍尔离子源放电电压范围在原有基础上扩展了50%以上, 放电电压上限可以达到3000 V。改进后的装置在高电压、低气压、小电流的放电条件下运行稳定, 仿真结果对装置的实际加工制造具有一定参考意义。     

空心内磁极圆柱形阳极层霍尔推进器溅射仿真北大核心CSCD

溅射对圆柱形阳极层霍尔推进器的稳定运行和寿命具有不可忽视的影响。为了研究D-80空心内磁极圆柱形阳极层霍尔推进器的磁极溅射程度,建立了D-80圆柱形阳极层霍尔推进器的三维全粒子PIC/MCC模型,利用VORPAL仿真软件对D-80圆柱形阳极层霍尔推进器放电-溅射过程进行了仿真,得到了离子轰击到内、外磁极上的入射能量,入射角度的概率分布,分析了溅射粒子在不同放电功率、磁场和气压下的变化规律。仿真结果表明:离子溅射全部发生在内、外磁极的表面上,轰击内磁极的离子能量平均值和入射角都小于轰击外磁极的离子入射能量和入射角,但内磁极的内、外径表面上溅射程度最严重,与实验中磁极溅射形貌一致;高放电电压和高气压下,溅射程度更严重,并且与实验结果一致。     

空心内磁极圆柱形阳极层霍尔推进器溅射仿真

溅射对圆柱形阳极层霍尔推进器的稳定运行和寿命具有不可忽视的影响。为了研究D-80空心内磁极圆柱形阳极层霍尔推进器的磁极溅射程度,建立了D-80圆柱形阳极层霍尔推进器的三维全粒子PIC/MCC模型,利用VORPAL仿真软件对D-80圆柱形阳极层霍尔推进器放电-溅射过程进行了仿真,得到了离子轰击到内、外磁极上的入射能量,入射角度的概率分布,分析了溅射粒子在不同放电功率、磁场和气压下的变化规律。仿真结果表明:离子溅射全部发生在内、外磁极的表面上,轰击内磁极的离子能量平均值和入射角都小于轰击外磁极的离子入射能量和入射角,但内磁极的内、外径表面上溅射程度最严重,与实验中磁极溅射形貌一致;高放电电压和高气压下,溅射程度更严重,并且与实验结果一致。     

电磁场对阳极层霍尔推力器电离效率的影响

推力器的电离效率直接影响到推力器的功率、比冲以及推力等重要工作参数, 本文主要利用PIC模拟得到阳极层霍尔推力器放电等离子体的平均电子能量以及电子、离子数比率随电磁场变化规律, 由此分析电磁场对推力器电离效率的影响情况。由结果可知, 平均电子能量在放电电压750 V之前逐渐增加, 而后又降低;磁感应强度B小于170×10^-4 T时, 平均电子能量随磁场的增加而增加, 之后随磁场的增加而降低。在放电等离子体中离子的比率随着放电电压的增加而增加, 在800 V之后略有降低, 电子比率的变化和离子比率的变化是个相反的过程。随着磁场的增加离子数比率基本上是一个降低趋势, 而电子比率是逐渐增加的。通过平均电子能量、电子和离子比率与E/B之间的关系, 得到最佳E/B比值大约为1.6×10⁶ m/s。     

阴极挡板对30cm氙离子推力器性能影响的研究

束流分布是表征离子推力器性能的关键技术指标,直接影响到离子推力器的工作稳定性和可靠性。针对引出束流分布不均匀导致30 cm氙离子推力器离子光学系统打火保护的问题,开展了阴极挡板性能试验,研究分析了阴极挡板对离子光学系统引出束流的影响作用关系,以及设置阴极挡板前后和设置不同规格阴极挡板时推力器放电室性能变化规律。试验表明:设置阴极挡板可有效提高离子光学系统引出束流分布的均匀性,进而改善推力器的连续工作稳定性;同时,设置阴极挡板后,推力器在高功率工作模式下的放电室阳极电压、放电损耗与未设置阴极挡板相比有明显增大,且放电室阳极电压、放电损耗随阴极挡板直径的增大而增大。研究为提高30 cm氙离子推力器工作稳定性提供技术指导。     

环型离子推力器研制发展综述

环型离子推力器的研制发展,为离子推力器在未来航天任务中广泛应用提供一个良好平台。相比传统型离子推力器,环型离子推力器设计概念更为新颖。环型离子推力器增大放电室内部的放电阳极面积、降低离子光学系统溅射腐蚀,并提高了推力器的功率水平和运行寿命。在调研国外环型离子推力器研制基础上,结合环型离子推力器早期发展、现阶段技术特点、研究现状和未来发展趋势等方面的研究,为未来新型高功率离子推力器的研制提供了一定的参考价值。     

霍尔推力器热设计优化研究

霍尔推力器的热设计对磁场性能有显著影响。为研究推力器的热优化方法, 对典型霍尔推力器进行热分布计算。采用热传导与热辐射耦合的计算方法, 以辐射传递系数替代角系数, 来表征微元表面间的相对位置对热辐射的影响。为验证模型及相关经验参数的正确性, 在真空舱中开展推力器试验件的放电试验, 获得推力器外部4个测点的温度, 并以此结果与同结构、同工况下的计算数据进行比对, 模型的最大相对误差可以控制在10%以内。在此基础上, 考察了几种典型的热设计方法对导磁组件温度分布的影响, 接着, 对最优方案进行磁场性能变化的评估。本文结果可对霍尔推力器的热设计优化提供参考。     

离子霍尔推力器束流中和与耦合研究进展

离子霍尔混合电推进技术可以融合霍尔推力器和离子推力器的优势,符合当前电推力器朝着高功率、多模式发展的要求,其束流中和与束流耦合问题是混合电推进技术的基本问题之一。在调研国内外离子霍尔混合推力器发展现状的基础上,重点调研了推力器离子束流中和研究现状、离子推力器组束流耦合研究现状、霍尔推力器组束流耦合研究现状,介绍了推力器的束流中和模型,初步分析了离子霍尔混合推力器束流耦合中的特殊问题。     

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...     

离子推力器放电室等离子体诊断技术研究进展

离子推力器放电室等离子体诊断对研究放电室等离子体特性及放电室性能具有重要意义。为了研究离子推力器放电室等离子体放电过程,调研了国外离子推力器放电室等离子体诊断技术的研究现状,分析了接触式静电探针技术和非接触式光谱技术的工作原理、应用范围、实施要点、技术成熟性、诊断可靠性等。静电探针技术成熟、理论较完善、成本低、操作方便,但会对等离子体产生干扰;光谱技术显著降低了诊断工具对等离子体的干扰,能获得较多精确的等离子体参数,越来越多的应用于等离子体诊断领域。调研分析可以为国内离子推力器放电室等离子体诊断技术提供参考。     

碘工质霍尔推力器原理样机设计与实验研究

氙气作为电推力器常用的推进剂,针对其具有自然界储量稀少,价格昂贵且提纯难度高的特点,采用电离能与氙相似的固态碘作为替代工质进行霍尔推力器点火实验来研究其基本性能。实验结果表明,控制贮供与推进系统的温度可以使进入放电通道的碘蒸气流量稳定,从而使推力器能够持续稳定地工作。在推力器为200 W量级工作条件下,推力靶测得其产生的推力约为8.9 mN。因此,碘工质在电推进领域具有较大应用前景,尤其对于位置保持以及深空探测任务,深入的推力器优化及设计工作将陆续展开。