摘要：在微波离子推力器的磁场结构设计中,一般认为增大磁镜区的面积能够约束更多电子,有利于提高能量利用率;减小发散区面积能够减少电子在壁面的损失,有利于降低放电损耗.随着一体化仿真研究深入,发现利用Child-Langmuir鞘层的特性可约束电子,使其在鞘层与磁镜间往复运动获能.对此,本文设计了适用于1 cm磁阵列微波离子推力器的磁场结构,并对其初始放电和束流引出过程进行了一体化仿真,对比阐明了电子在磁场发散区受Child-Langmuir鞘层、天线表面鞘层和磁镜共同约束下的获能模式.该获能模式可提升磁场发散区的电子温度,促进电离,提升栅极前等离子体密度,进而提升束流密度.仿真结果表明,在氙气流量0.3 sccm(1 sccm=1 mL/min),微波功率为1 W,栅极电压φ_(sc)/φ_(ac)=300 V/–50 V条件下,磁阵列微波离子推力器的电流密度较2 cm微波离子推力器提升57.9%.本文从理论上对磁场发散区电子加热模式进行了验证,研究结果将为微波离子推力器优化设计提供理论依据,促进微波离子推力器性能提升.

摘要：为了解决低功率霍尔推力器存在的寿命问题,本文设计了一种平面型霍尔推力器。该推力器取消了内部放电通道,前壁和阳极在同一平面,电离和加速过程完全发生在推力器外部的开放空间中。推力器在0.6~1.0 mg/s的氙气流量下,实现稳定放电。本文实验研究了不同运行参数下推力器的阳极电流特性、推力特性和羽流束流特性。结果表明,阳极电流的振荡频谱主要集中在20~60 kHz,与常规霍尔推力器的呼吸振荡频率范围相似。在62~245 W的功率下,推力为3.2~10.5 mN,阳极效率为8%~22%。推力水平与同功率等级的传统霍尔推力器相当,而阳极效率偏低。利用法拉第探针获得离子的束流特性,结果表明:较低的羽流发散效率是造成目前推力器阳极效率偏低的主要因素。结合实验结果,分析了平面型霍尔推力器与传统霍尔推力器在离子加速方面的差异。本文设计的平面型霍尔推力器为解决霍尔推力器的壁面侵蚀问题提出了一种可能的方案。

摘要：在电子回旋共振离子推力器的结构优化中,放电室长度调节的是栅极与主等离子体区的相对位置,以此影响栅极上游等离子体密度,进而改变推力器离子束流大小及聚焦状态,达到性能优化目的.然而,在一体化仿真研究中发现,施加栅极电压后,Child-Langmuir鞘层前存在高能电子分布,这与传统的放电室仿真存在明显差异.本文认为施加栅极电压后,Child-Langmuir鞘层会排斥电子,使流向栅极的电子返回磁镜区参与加热,最终在磁镜和Child-Langmuir鞘层之间形成了高能电子分布区域.这意味着放电室长度对推力器性能的影响不再局限于相对位置的调节,还能通过调控Child-Langmuir鞘层前的高能电子分布影响等离子体生成.因此,本文采用一体化仿真方法,系统研究了放电室长度对推力器放电和引出性能的影响机理,并讨论了Child-Langmuir鞘层前高能电子分布对电离体系的影响.本文研究将为电子回旋共振离子推力器的结构优化设计提供新思路.

摘要：为明确电子轰击式离子推力器放电腔结构对推力器推力、比冲等性能的影响,采用基于蒙特卡罗碰撞的网格粒子(PIC/MCC)方法,建立了放电腔的全粒子二维轴对称仿真模型,对10 cm×5 cm圆柱型放电腔内部的等离子体特性开展研究。结果表明:双进气口放电腔的电离率、推力、比冲和放电损耗优于单进气口,但放电腔出口处的离子分布均匀性相对较差;阴极长度的增加可以减弱离子回流现象,提升推力器宏观性能参数,但阴极过长会降低腔内电离率;针对所讨论的推力器,阴极长度在4~5 cm区间内的综合性能最优。仿真得到了不同工质气体进气口位置和阴极位置对等离子体参数及推力器宏观性能参数的影响,可为放电腔的实际设计提供一定参考。

摘要：为了获得不同推力器工况对射频自偏压效应离子推力器的自偏压幅值和束流特性的影响,本文通过地面实验研究了栅极射频功率、线圈放电功率、工质种类对自偏压幅值和羽流区等离子体参数的影响,同时对直流栅极工况和射频栅极工况下的束流特性进行了对比。研究结果表明:栅极射频功率的增大会提高自偏压幅值并提升束流强度,但在较高栅极射频功率下,栅极下游区域将发生自持放电并形成等离子体;放电腔内放电模式转换会通过改变等离子体阻抗的方式大幅影响栅极直流自偏压幅值和栅极电压的射频分量,进而影响羽流区等离子体参数;与直流栅极工况相比,射频栅极能同时引出并加速离子和电子,并在栅极下游实现自中和,且在Ar,Kr,Xe三种工质下均具有自中和能力。

摘要：离子推力器具有高比冲和高效率等优势,是目前应用最广泛的电推力器之一,但亦存在着系统结构复杂、关键部件繁多等缺点.无中和器离子推力器可以消除对中和器的依赖,实现离子推进系统结构的简化,从而减小推力器体积和重量并提高系统可靠性.本文首先归纳了传统离子推力器的原理、优势及限制,引出了无中和器离子推力器的概念,对其基本原理、技术优势及分类进行了介绍;随后从等离子体源的束流自中和技术出发,总结了无中和器离子推力器的发展现状;结合空间应用需求以及无中和器离子推力器的工作特点,分析了无中和器离子推力器的关键技术,提出应将工质选择、等离子体机理研究、磁过滤装置和栅极系统设计以及栅极射频电压灵活调控方法这四方面作为其研究重点,同时应该发展并完善新的推力器参数测量方法,进一步明确无中和器离子推力器的工作特性.

摘要：机械结构可靠性分析时,常常会采用代理模型拟合隐式功能函数来解决计算量大的问题,但由于试验设计方案需要同时考虑代理模型的拟合精度和可靠度计算精度的问题。因此,为了能够充分使用较少的样本信息,最大化可靠度计算精度,本文充分发挥Kriging预测的随机特性,提出一种主动学习可靠度计算方法。首先,类似于优化问题中改善函数的选点方式,提出一种基于Kriging预测的学习函数,基于Monte Carlo法生成大量的候选样本点,找出学习函数最小值对应的样本点作为最佳取样点。其次,推导和提出了一种学习停止的条件,保证了Monte Carlo样本点预测符号的正确性且学习次数明显减小。最后,通过2个数值算例分析结果表明,该算法相比其他方法需要更少的样本数量,得到的可靠度计算精度更高,验证了本文算法的正确性和高效性。

摘要：为分析被动吸气式电推力器气体收集装置设计对其性能的影响情况,以200km超低轨道下立方星推进装置为应用背景,进行了被动吸气式电推力器气体收集装置的性能仿真研究设计,采用基于稀薄气体的自由分子流模型对进气道装置内气流进行了仿真,研究了不同关键参数,包括几何形状(抛物线型、圆锥型、棱锥型)、入口出口截面比、长度、进气道内壁光滑程度多种因素对气体收集装置集气效率的影响,选取典型参数模型计算其内部气压分布规律。仿真结果表明,在三种形状设计中抛物线型进气道对气体聚焦效果最佳,入口出口截面比越小、长度越大以及进气道内壁越光滑,进气道性能越优。所设计的10cm抛物线型被动式进气道能够实现对大气120倍的压缩效果。

摘要：为更好地理解放电腔内等离子体物理机制,对Kaufman型离子推力器放电腔进行了数值研究,其中初始电子采用粒子模拟的方法处理,二次电子和离子采用漂移-扩散流体近似描述。模拟结果与已有实验测量数据进行对比表明:所采用计算方法适用于放电腔内等离子体流动规律的数值研究;模拟得到的稳态下等离子体分布及变化规律与实验测量数据相吻合;磁场的设计对初始电子起到显著的约束作用,有效地提高了其与工质气体的电离碰撞几率;二次电子的精确描述还需在流体方程中耦合磁场效应。

摘要：太阳风等离子体与偏压导线电场间的相互作用是电动帆推力器的基本工作机理.采用二维粒子模拟方法分别对垂直入射和斜入射太阳风等离子体与平行双导线间的动量传递过程开展数值模拟,对比分析了不同条件下耦合电场及偏转离子的运动轨迹及其对动量传递的影响.结果表明:偏压导线的高电势会在导线附近形成离子空洞并向下游扩展;两根导线间由于鞘层相互影响而形成离子阱结构,减速、滞止、反射部分离子;在1 kV的导线偏压和太阳风垂直入射条件下,两根帆导线受力约为30 nN/m;随着导线间距增大,离子阱中约束离子数量表现出先增大后减小的趋势,电动帆推力亦随之先增大后减小;太阳风斜入射情况研究,首次从等离子体动力学仿真出发,确定了电动帆推力受帆姿态影响,可分为沿太阳风方向的水平推力和垂直太阳风方向的升力两个分量;明确了升力与俯仰角α的关系,当电动帆导线平面顺着太阳风方向右倾时,升力小于0,而当电动帆导线平面逆着太阳风方向左倾时,升力大于0;明确了推力角θ变化趋势和范围,随俯仰角α的增大呈现出先减小后增大的非线性变化趋势,大小为-40°<θ<40°.研究结果明确了电动帆的推力矢量及其随姿态的变化,对电动帆航天器轨道动力学的优化设计提供了重要参考.