曲面栅极朝向对离子推力器影响的试验研究

离子推力器主要有两种构型的曲面栅极:凸面和凹面。为了研究曲面栅极朝向对离子推力器工作特性的影响,采用兰州空间技术物理研究所自研的LIPS-100离子推力器,开展了20 mN推力工况下两种构型栅极的放电损耗、束流密度分布和低温启动等工作特性对比试验。结果表明:与凸面栅极相比,凹面栅极的放电特征尺寸小、热态栅间距大;采用凹面栅极的推力器可在-90℃极限温度环境下10 s内满功率启动,但放电损耗增加了5.3%;同时,凹面栅极引出的离子更为聚焦,束流发散角减小了18.6%,引出束流平直度下降了19.6%。研究结果可为国内离子推力器研制中栅极构型的选择和优化提供依据。     

离子发动机栅极组件的热应力分析

离子发动机栅极组件的热应力、热形变分析是栅极组件工程化设计的重要内容之一。建立了栅极组件热应力分析模型和计算方法。针对20cm氙离子发动机钛栅极组件的结构,具体进行分析计算。结果表明,钛栅极组件的热应力满足工程应用要求。     

栅极系统电子返流对离子推力器寿命影响

栅极系统电子返流是离子推力器寿命的主要失效模式之一。以20 cm Xe离子推力器地面运行测试数据为基础,结合离子推力器栅极系统电子返流失效机理,预测了离子推力器在地面测试环境中和空间飞行环境中栅极系统电子返流对寿命的影响。预测结果表明:20 cm Xe离子推力器在地面试验环境中和空间飞行环境中的预期寿命分别为6 600 h和17 000 h。     

基于均匀化方法的离子推力器栅极组件的有限元分析计算

离子光学系统是离子火箭发动机推力器中装配要求最严格的部件之一,其性能的好坏直接影响推力器的性能。栅极是离子光学系统的主要组件,其结构为多孔球面薄板。基于均匀化方法利用ANSYS有限元软件建立了球面栅极组件的有限元模型,分别进行了栅极组件的模态分析和均布载荷下的位移、谐响应分析,为设计、加工和装配提供可靠的数据。     

30 cm离子推力器栅极组件热形变位移分析研究

栅极组件是影响离子推力器束流加速引出的核心部件,其在工作过程中随着热量累积形成的热形变位移是影响工作性能的关键因素。采用有限元分析方法对30 cm离子推力器三栅极组件随工作时间变化导致的热形变位移进行了模拟,重点对栅极间距变化过程进行了模拟计算,并对单个栅极达到温度平衡的时间进行了模拟,预估了三栅极组件的冷态启动时间,并对栅极组件在工作期间内随温度变化造成的打火风险进行了预估。     

30cm口径离子推力器热特性模拟分析

为了对30 cm口径LIPS-300推力器的热设计提出合理建议,利用有限元分析软件对LIPS-300离子推力器进行地面稳态及热应力分析。结果显示处于大流量点火工作状态时,离子推力器的高温部件主要是阳极筒锥段、屏栅筒以及后极靴,当推力器达到稳态后,阳极筒和后外壳锥段的热形变占主要地位。根据仿真分析得出的热设计优化结论是提高LIPS-300离子推力器内外部件的表面发射率是可以降低内部部件温度,并满足磁钢工作温度上限的有效方法。     

20cm氙离子推力器加速栅寿命预测

电荷交换离子对加速栅的腐蚀引起的加速栅结构失效是影响离子推力器寿命的主要因素之一。利用离子推力器加速栅工作寿命的确定性预测模型对兰州物理研究所研制的20cm氙离子推力器加速栅极结构失效时的质量损失和地面运行寿命进行了计算,将计算结果与地面寿命实验结果进行了对比,并利用该模型对20cm氙离子推力器加速栅极空间运行寿命进行了预测。     

真空舱背景压力对离子推力器栅极系统工作性能影响的数值模拟

离子推力器地面寿命试验中,真空舱背景压力是影响推力器性能的重要因素之一。采用二维PIC/MCC方法对栅极系统受背景压力影响进行研究。模拟得到了20 cm离子推力器不同背景压力下栅极系统的电势分布、束流离子空间分布、单位时间内碰撞到加速栅极孔壁和下游表面的交换电荷数目、加速栅极电流等。计算结果与试验测得值很吻合,加速栅极下游表面的溅射腐蚀受背景压力的影响大于其孔壁腐蚀影响,考虑试验成本,可将地面试验真空舱背景压力设为5×10-4Pa。     

离子推力器流率调节热节流器性能测试

离子推力器工作时的推进剂氙气流率很小,一般在0.1～2.0 mg/s之间,对氙气流率的稳定性要求也很高,所以需要对微小流率控制热节流器的性能特性和长期工作稳定性进行测定和有效评价。从测试装置、测试方法、测试过程、测试结果分析与评价等方面介绍了热节流器的性能测试与研究情况。     

离子火箭发动机栅极组件短路消除方法

栅极组件短路是造成离子火箭发动机失效的主要原因。本文分析了栅极组件短路的形成原因,利用电热烧蚀原理,消除栅极组件的短路。通过实验研究,获得了栅极组件短路消除的有效方法。应用实验结果表明,这种方法能够有效消除栅极组件的短路现象。     

离子推力器栅极组件有限元的建模及热变形研究

为研究离子推力器栅极组件热变形规律,分析不同开孔率及开孔方式对栅极热变形的影响,使用壳单元、体单元及梁单元建立了栅极组件全尺寸有限元模型进行计算。结果表明栅极热变形呈中心对称分布,并且随着开孔率增大,栅极热变形减小,另外在开孔率不变的情况下,不同开孔方式对栅极热变形影响非常小。     

中高功率离子推力器的性能参数分析研究

此次系统调研在已有高功率离子推力器研制情况的基础上,对中高功率离子推力器的主要性能参数进行了分析研究,得到了离子推力器性能随功率变化的经验关系,并应用这些关系分析预测了中高功率离子推力器的性能极限,得出了基于现有技术的离子推力器难以满足未来高功率电推进使命需求的分析结论。     

碘工质射频离子推力器放电特性仿真研究

碘作为空间推进器中极具发展潜力的工质,近些年备受关注。与氙气不同,碘工质放电的产物较为复杂,主要是I⁺,同时还包含了少量的I^-、I₂⁺、I₂⁺和I3+。虽然多价离子的含量较少,但对推力器的工作性能存在着不小的影响。文章基于等离子体放电建立二维轴对称模型,分别研究了质量流量、射频功率以及背景压力对两种主要电离产物I⁺、I₂⁺的影响。质量流量为20～70 mL/min,随着质量流量的增加,I⁺略微降低,I₂⁺略微增加。射频功率为100～650 W,随着射频功率的增加,I⁺迅速增加,I₂⁺略微减小。背景压力在0.001～0.1 Torr时,随着背景压力的增加,I⁺先是快速增加,在p0=0.015 Torr左右,开始减小;I₂...     

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...     

离子推力器寿命试验总结与展望

在充分调研国内外成熟度较高的离子推力器产品地面寿命试验的基础上,总结了关键失效磨损试验、工程型号寿命试验、产品极限寿命试验和综合评价寿命试验等四类离子推力器寿命试验的目的、方法、结果及应用.通过不同寿命试验方法之间、试验验证寿命与工程应用寿命之间、不同失效模式及其试验验证方法之间的对比分析,总结了各类寿命试验的成功经验...     

离子推力器束流下降原因分析

离子推力器的推力与其引出的束流成正比,束流的大小直接确定了推力.离子推力器在点火启动后,在工作条件不变的条件下,其引出束流随工作时间而下降.为找出束流下降的原因,以离子推力器为研究对象,通过分析引起离子推力器束流下降的各种因素,并对这些因素进行分析与验证.经过对因素的分析定位,找出引起束流下降的主要原因.分析与验证表明：影响离子推力器束流下降的决定因素为栅极组件固有特性、磁场固有特性和阴极固有特性,其中阴极固有特性是导致束流下降的主要原因.     

10 cm发散磁场离子推力器地面试验验证研究

10cm口径离子推力器是我国针对超低轨道监测卫星研制的发散磁场型离子推力器。为了验证该推力器的工作参数是否满足在轨工作的指标要求,进行了性能测试、环境试验测试等一系列试验,试验结果表明：兰州空间技术物理研究所研制的10 cm口径离子推力器三个正交方向的基频分别为601 Hz、583 Hz和736 Hz,满足星载产品基频大于150 Hz的要求。经过1 600g量级的冲击试验后,推力器无异常;经过力学试验以及25.5个循环的热真空试验后,推力器工作性能基本无变化;推力器各工况点的束流发散全角均在30°以内,推力偏斜角度不超过1°,20 mN工况点的二价离子占比为14.1%,基于推力电参数测量方法得到的推力值整体误差为0.95%。地面测试结果证明,国产10 cm口径发散磁场离子推力器的各项性能均满足超低轨道监测卫星的任务要求。     

本底真空对推力器加速栅截获CEX离子电流

离子推力器地面寿命考核和加速寿命试验是在地面真空舱中进行的,真空舱本底真空会对离子推力器性能和寿命特别是加速栅截获电流有重要影响.为了确定20 cm氙离子推力器地面试验本底压力,本文采用PIC-MCC方法,计算了不同本底真空下栅极系统中性原子位置、密度分布和交换电荷(Charge Exchange,CEX)离子位置、速度和密度分布.模拟计算了在不同真空舱本底真空下20 cm氙离子推力器加速栅极截获的CEX离子电流,与实验结果符合较好,并通过理论方法确定了加速栅电流随真空舱本底真空变化的“拐点”.计算结果可以为离子推力器长寿命考核试验和栅极系统加速寿命试验真空舱本底真空的选择提供了参考.     

离子推力器内部等离子体的微观特性研究

放电室是离子推力器产生等离子体的主要区域,放电室气体放电过程中的电势振荡导致阴极下游产生的大量高能离子不断轰击溅射刻蚀空心阴极触持极,长时间后,触持极顶被磨损穿透,阴极顶和阴极管也受到离子的轰击。提出了一种解析方法,运用解析数学工具,研究放电室内磁感应强度、电场强度等对离子运动轨迹和等离子体振荡频率的影响,从数学角度描述放电室气体放电过程和等离子体振荡特性。最终得到非平衡态下的离子含时演化方程、准平衡态下的等离子体动态特性曲线和放电室性能曲线。     

射频离子推力器放电室结构优化研究

射频离子推力器因结构简单、推力精确可调、工作寿命长等因素,已被广泛应用于航天领域,其中放电室的离子密度是决定推力性能的关键性要素。本文基于电感耦合放电过程建立了二维轴对称流体模型,分别研究了放电室在不同长径比和不同结构等条件下的离子密度变化规律。结果表明:增大射频功率和气压可以提升离子密度,放电室长度在3.5-4 cm时离子密度较高。在放电室直径相同条件下,模型1圆柱结构与模型2圆台结构体积保持一致,减小表面积可以提升离子密度;模型3球壳结构、模型4球壳圆柱结构与模型1圆柱结构的总长度一致,最优的复合结构模型4与单一圆柱结构模型1相比,离子密度提高18.2%,若两者密度相等时,最优的复合结构模型4可以节省15%功率输入或降低10%放电室内气压。