离子推力器三栅极组件热形变仿真分析及试验研究

栅极组件是离子推力器束流引出、加速和聚焦的核心部件.推力器工作过程中栅极组件的热形变是影响离子推力器工作性能和寿命的关键因素之一.通过建立栅极组件的结构等效模型,模拟了栅极组件的温度分布,运用有限元软件绘制出同一时刻栅极组件表面不同位置沿着径向坐标热形变位移曲线,分别计算出栅极组件中心点处屏栅-加速栅、加速-减速栅极间...     

离子推力器栅极系统仿真典型验证技术研究现状

栅极系统是影响离子推力器性能和寿命的重要组件之一,数值仿真建模方法是研究栅极系统失效机理的重要手段。为了提高数值仿真模型运算结果的置信度,需要对栅极系统仿真模型开展试验验证研究。本文在对栅极系统工作物理过程、失效模式和失效机理分析的基础上,系统调研了国内外离子推力器栅极系统仿真的研究进展,并重点对栅极系统仿真模型验证技术研究进展开展了调研,为离子推力器栅极系统仿真模型验证研究提供了参考。     

离子推力器碳基材料栅极研究进展

栅极组件是离子推力器的关键部组件之一,直接影响推力器的性能和寿命。相比传统金属钼,碳基材料具备较低的热膨胀系数和较强的耐离子溅射性,是离子推力器栅极组件的理想材料,可以有效提高推力器的寿命和可靠性,碳基材料栅极组件已被国外先进离子推力器广泛采用。在调研国外碳基材料栅极研制过程的基础上,结合国内碳基材料研制水平,针对目前我国离子推力器的长远发展部署,提出开展碳基材料栅极组件制造的初步建议。     

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。     

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。     

热处理对钼栅极材料力学性能影响研究

离子推力器的栅极是一种多孔薄壁零件,其重要功能是从放电室中引出并加速离子从而产生推力。为了增强栅极组件的工作稳定性和结构强度,尤其是对于大口径离子推力器,通常栅极需要做成球面型。而且产品最终需要通过振动和冲击测试,因此栅极材料的力学性能对产品至关重要。研究了栅极的主要材料钼,试验了在不同温度下钼栅极材料的热处理,通过金相分析和样片力学拉伸试验,得到了经过不同热处理钼片的金相、抗拉强度和延伸率等材料特性,通过总结分析得出了适合钼栅极的热处理。     

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.     

LIPS-200E离子推力器栅极组件最敏感参数分析

为了解决LIPS-200E离子推力器工作过程中加速栅截获电流较大的问题,本文针对该推力器栅极组件建立了二维数值仿真计算模型,采用仿真计算和理论分析相结合的方法,系统分析了栅极组件几何结构参数和工作电参数对其束流离子聚焦状态的影响。分析结果显示,相比其他结构及电参数,栅间距是影响束流离子聚焦和加速栅截获电流的最关键影响因素,当栅间距为0.06 mm时,栅极组件能很好地引出束流,无任何离子被加速栅所截获。分析结果和实测结果符合一致。     

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。     

金属钼栅极高温定型处理技术研究

栅极组件是离子推力器的关键组件,其功能是引出并加速离子束流形成推力。栅极形状直接决定着栅极组件的性能和可靠稳定性。基于金属钼烧氢处理技术,对栅极形状、定型温度和保温时间以及定型处理程序进行优化试验研究,并确定金属钼栅极高温定型处理的方法和技术参数。通过对30 cm直径金属钼栅极的高温烧氢定型处理,结果表明:金属钼栅极高温烧氢定型处理程序和技术参数合理可行,定型处理的钼栅极形状轮廓度误差控制在0.1 mm以内,并将栅极组件栅间距的误差控制在0.1 mm以内,改善了栅极组件的性能和可靠性。     

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.     

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。     

无束流条件下钼栅极电击穿特性的试验研究

离子推力器栅极间较小的间距、较高的工作电压,使其具备了高比冲、高效率的优点,但也导致其在正常工作时,容易在工作条件变化的情况下发生打火放电,引起工作不稳定和不可靠。因此,研究离子推力器栅极打火放电的影响因素及其关系是十分必要的。论文在无束流引出的状态下,对离子推力器钼栅极的高压击穿特性进行了研究。结果表明,当压力低于1×10-2Pa,栅间距为0.7 mm且栅极表面无损伤时,击穿电压和击穿电场随真空度降低而减小;栅间距为0.4 mm且栅极表面有损伤时,击穿电压和击穿电场随压力增大而先增大,后减小。当压力大于1×10-2Pa,两种栅间距下,击穿电压和击穿电场均随压力增大而减小,下降速度均比低压力下快。     

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。     

氙离子火箭发动机补偿栅极设计

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整个推力器的性能.栅极是离子光学系统的主要组件,作者主要针对大面积球面栅的束发散较大的问题,对栅极进行了补偿设计,目的是减小束发散角.     

不同本底压力下离子推力器电子反流失效的数值模拟

针对20cm氙离子推力器具体设计和工作参数,采用二维轴对称模型的网格质点和蒙特卡罗碰撞方法模拟计算了氙离子和氙原子在离子推力器栅极系统中的运动.模拟得到了在不同本底压力下交换电荷离子对加速栅极孔壁的溅射腐蚀情况,并由此计算了不同本底压力下因孔壁腐蚀导致发生电子反流失效模式的推力器工作寿命.     

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。     

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。