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Numerical simulation of the plasma acceleration process in a magnetically enhanced micro-cathode vacuum arc thruster

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Plasma Science and Technology 2020年第9期22卷 95-105页

作者： jinyue geng Yongcai CHEN Surong SUN Wendong HUANG Haixing WANG Beijing Institute of Control Engineering Beijing 100094People's Republic of China School of Astronautics Beijing University of Aeronautics and AstronauticsBeijing 100191People's Republic of China

A particle-in-cell simulation is conducted to investigate the plasma acceleration process in a micro-cathode vacuum arc thruster.A coaxial electrode structure thruster with an applied magnetic field configuration is used to investigate the effects of the distribution of the magnetic field on the acceleration process and the mechanism of electrons and *** modeling results show that due to the small Larmor radius of electrons,they are magnetized and bound by the magnetic field lines to form a narrow electron *** ions with a large Larmor radius take a long time to keep up with the electron *** presence of a magnetic field strengthens the charge separation *** electric field caused by the charge separation is mainly responsible for the ion acceleration downstream of the *** impact of variations in the distribution of the magnetic field on the acceleration of the plasma is also investigated in this study,and it is found that the position of the magnetic coil relative to the thruster exit has an important impact on the acceleration of *** order to increase the axial velocity of heavy ions,the design should be considered to reduce the confinement of the magnetic field on the electrons in the downstream divergent part of the applied magnetic field.

关键词： micro-cathode vacuum arc thruster magnetic field ion acceleration

The View of Micropropulsion Technology for China’s Advanced Small Platforms in Deep Space

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Space(Science & Technology) 2022年第1期2022卷 100-108页

作者： Yanming Wei Hao Yan Xuhui Liu Yang Yu jinyue geng Tao Chen Tuoqu Fu Gaoshi Su Yu Hu Daoman Han Advanced Space Propulsion Laboratory Beijing Institute of Control EngineeringBeijing 100090China Beijing Engineering Research Center of Efficient and Green Aerospace Propulsion Technology Beijing 100090China

In this paper,micropropulsion systems are analyzed in conjunction with the various mission requirements of China’s deep space *** a great challenge facing the world,deep space exploration can be enabled only in a few countries with a success rate of around 50%.With the advancement of spacecraft and scientific instruments,it is now feasible to build small and low-cost spacecraft for a variety of deep space *** spacecraft become smaller,there is a need for proper micropropulsion *** of propulsion system selections for deep space exploration are discussed with a focus on products developed by Beijing Institute of Control Engineering(BICE).The requirements for propulsion systems are different in lunar/interplanetary exploration and gravitational wave *** propulsion is selected for fast orbit transfer and electric propulsion for increasing scientific *** gas propulsion and microelectric propulsion are good choices for space-based gravitational wave detection due to the capability of variable thrust output at the micro-Newton *** paper also introduces the sub-1-U micropropulsion modules developed by BICE with satisfactory performance in flight tests,which are promising propulsion systems for small deep space platforms.A small probe with an electric sail propulsion system has been proposed for the future solar system boundary exploration of *** electric sail serves as not only a propellant-free thruster but also a detector probing the properties of the space medium.

关键词： propulsion thrust payload

利用平面激光诱导荧光对旋流火焰OH自由基的定量研究

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西安交通大学学报 2023年第2期57卷 31-38页

作者：严浩张榛耿金越张少华余西龙北京控制工程研究所北京100190 北京市高效能及绿色宇航推进工程技术中心北京100190 中国科学院力学研究所北京100190

为了获取非稳定火焰中OH瞬态粒子数密度分布,提出了一种基于平面激光诱导荧光(PLIF)的免标定OH定量测量方法。该方法采用双向激光的实验设置采集OH荧光图像,以获得激光沿程衰减的信息。提出了一种递归结构的算法并提取了激光的吸收系数... 详细信息

为了获取非稳定火焰中OH瞬态粒子数密度分布,提出了一种基于平面激光诱导荧光(PLIF)的免标定OH定量测量方法。该方法采用双向激光的实验设置采集OH荧光图像,以获得激光沿程衰减的信息。提出了一种递归结构的算法并提取了激光的吸收系数分布,极大降低了现有数据处理方法对光路准直精度和图像信噪比的苛刻要求。通过该方法对航空发动机旋流燃烧室模型的非预混贫燃火焰进行了研究,得到OH自由基的瞬态空间分布。实验结果表明:随着燃烧室内的流量增大,火焰上游的氧燃混合程度增加,湍流对燃烧反应的干扰程度增大,火焰的结构也发生明显转变;而在不同工况下,OH粒子数密度的最大值均在10^(16) cm^(-3)量级。

关键词：旋流火焰 OH自由基激光诱导荧光定量测量

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电弧推力器约束通道内流动特性数值模拟

中国空间科学技术 2016年第1期36卷 43-50页

作者：魏福智何艳耿金越北京控制工程研究所北京100190 中国空间技术研究院通信卫星事业部北京100094

约束通道对电弧推力器的性能有着重要的影响,文章采用基于局域热力学模型（LTE）的数值模拟方法对中等功率电弧推力器内等离子体流动进行了数值模拟,考察了电流、入口压力、约束通道尺寸及不同推进剂对约束通道内等离子体流动的影响,分... 详细信息

约束通道对电弧推力器的性能有着重要的影响,文章采用基于局域热力学模型（LTE）的数值模拟方法对中等功率电弧推力器内等离子体流动进行了数值模拟,考察了电流、入口压力、约束通道尺寸及不同推进剂对约束通道内等离子体流动的影响,分析了约束通道内非均匀流动现象,最后对推力器的性能、效率等进行了讨论。计算结果表明,随着电流的增加电弧高温区变粗变长,随着入口压强的增加电弧高温区半径减小而长度增加,随着约束通道半径的减小电弧高温区变得细长,随着约束通道长度的增加高温区的长度增长而半径无明显变化,氢气的高温区明显小于氮气和氩气;约束通道内只有小部分气体通过高温区被电离,大部分气体沿着壁面附近的低温区流动;约束通道内焦耳热约占总焦耳热的60%~80%,主要受约束通道长度影响。

关键词：电弧推力器数值模拟约束通道等离子体流动

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微阴极电弧推力器放电特性研究

真空科学与技术学报 2019年第1期39卷 46-52页

作者：周思齐耿金越夏广庆王鹏大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116024 辽宁省空天飞行器前沿技术重点实验室大连116024 北京控制工程研究所北京100094

相对于大型卫星,微纳卫星具有模块化、发射灵活、可编队飞行等特点。微阴极电弧推力器(μ-CAT)是一种适用于微纳卫星的推进装置,具有体积小、质量轻、功耗小等特点。本文分析了μ-CAT的工作原理,对推力器结构进行了设计,并利用高真空电... 详细信息

相对于大型卫星,微纳卫星具有模块化、发射灵活、可编队飞行等特点。微阴极电弧推力器(μ-CAT)是一种适用于微纳卫星的推进装置,具有体积小、质量轻、功耗小等特点。本文分析了μ-CAT的工作原理,对推力器结构进行了设计,并利用高真空电推进实验平台,完成了对推力器放电特性实验装置的搭建。在高真空条件下对μ-CAT进行了点火试验,测试了推力器放电时的伏安特性曲线,分析了单脉冲周期的电压电流变化规律。随后分别在有无外加磁场的条件下,采用法拉第探针测量了μ-CAT等离子体离子电流空间分布情况,实验结果表明磁场具有减小等离子体羽流发散角的作用。研究工作可为后续推力器放电参数优化设计和羽流测量工作提供理论指导。

关键词：微纳卫星电推进微阴极电弧推力器放电特性

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同轴微阴极电弧推力器的粒子网格法数值模拟

中国空间科学技术 2017年第5期37卷 81-88页

作者：熊子昌耿金越陈轩王海兴北京航空航天大学宇航学院北京100191 北京控制工程研究所北京100094 空间物理重点实验室北京100076

采用粒子网格(Particle-In-Cell,PIC)方法对同轴微阴极电弧推力器(μCAT)工作过程进行了模拟研究,并应用自相似方法对模型进行简化,获得了推力器羽流区的电子数密度分布、离子数密度分布、电势分布及离子轴向平均速度,通过改变磁感应强... 详细信息

采用粒子网格(Particle-In-Cell,PIC)方法对同轴微阴极电弧推力器(μCAT)工作过程进行了模拟研究,并应用自相似方法对模型进行简化,获得了推力器羽流区的电子数密度分布、离子数密度分布、电势分布及离子轴向平均速度,通过改变磁感应强度和位形分析磁场对推力器内等离子体运动特性及推力器性能的影响。计算结果表明,电子被外加磁场捕获约束在磁力线附近,低速离子与高速电子形成的双极扩散电场加速离子喷出;在相同流量情况下,磁感应强度0.02T时,离子返流严重,磁感应强度0.05~0.30T时,磁感应强度变化对速度影响较小;磁场位形对离子运动和推力器性能有较大影响,磁力线与轴线夹角较小时离子速度下降明显,夹角较大时离子返流严重。

关键词：同轴微阴极电弧推力器粒子网格法自相似法磁感应强度磁场位形

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微阴极电弧推力器磁路设计

中国空间科学技术 2018年第5期38卷 72-80页

作者：耿金越周思齐夏广庆陈君沈岩北京控制工程研究所北京100190 北京市高效能及绿色宇航推进工程技术研究中心北京100190 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116024

微阴极电弧推力器是一种利用真空条件下放电电弧烧蚀阴极材料产生较高电离度的高速等离子体,并在外加磁场作用下喷出以产生推力的微型电推力器。微阴极电弧推力器磁场设计是推力器设计中的重要工作之一,将影响推力器工作稳定性和工作性... 详细信息

微阴极电弧推力器是一种利用真空条件下放电电弧烧蚀阴极材料产生较高电离度的高速等离子体,并在外加磁场作用下喷出以产生推力的微型电推力器。微阴极电弧推力器磁场设计是推力器设计中的重要工作之一,将影响推力器工作稳定性和工作性能。分别采用多匝通电螺线管计算公式、二维和三维数值仿真完成磁路设计,磁感应强度随线圈电流和线圈匝数增加而变大;当线圈电流15A、线圈匝数为600匝时,放电通道中心线磁感应强度最大值超过0.3T;采用特斯拉计测量磁感应强度,仿真结果与测量结果吻合较好。最后采用时间飞行法(TOF)测得等离子体速度随磁场增强而增加。

关键词：电推进微阴极电弧推力器磁路设计真空电弧 TOF方法

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场发射电推力器的参数选择与调控方法

中国空间科学技术 2020年第4期40卷 1-10页

作者：刘子健沈岩耿金越刘旭辉秦宇北京控制工程研究所北京100190 先进空间推进技术实验室北京100190 北京市高效能及绿色宇航推进工程技术研究中心北京100190

场发射电推力器具有几种不同的发射模式,分别产生荷质比不同的带电液滴或带电离子,使得不同模式下推力性能差别显著。针对不同的空间应用,需要设计不同种类的场发射电推力器,使其达到相应的推力参数。为此对场发射电推力器的发射过程展... 详细信息

场发射电推力器具有几种不同的发射模式,分别产生荷质比不同的带电液滴或带电离子,使得不同模式下推力性能差别显著。针对不同的空间应用,需要设计不同种类的场发射电推力器,使其达到相应的推力参数。为此对场发射电推力器的发射过程展开分析,确定了推力参数的调控方法。首先对场发射电推力器的基本工作原理进行了阐述,并对不同发射模式的基础物理机制进行了分析。在此基础上通过理论计算得出采用不同推进剂可达到不同发射模式这一结论,并最终得出推力器性能参数的调控方法,论证了推力性能受到推进剂种类和发射模式的影响,在离子发射模式下处于高比冲、低推力工况,而液滴发射模式下处于低比冲、高推力工况。此外推力参数还受到供给流量、外加电压等多种因素的影响。在得到推力器参数的调控方法后,设计了一种主动供给型离子液体电推力器,以离子液体EMI-BF_4作为推进剂,进行了相应的试验研究。通过改变外加电压,实现了对推力器推力性能的调控,证实了此调控方法的可行性。推力器达到的推力范围为1.6~10μN,比冲范围为154~978 s。

关键词：场发射微小卫星离子液体推力比冲

面向μ-CAT的真空沿面电弧放电及烧蚀产物特性

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高电压技术 2023年第9期49卷 3835-3847页

作者：白洁吴佳玮耿金越王亚楠王芝韩若愚北京理工大学机电动态控制重点实验室北京100081 全球能源互联网发展合作组织北京100031 中国科学院力学研究所北京100190 西安交通大学电气工程学院西安710049

针对微阴极电弧推力器(μ-CAT)应用开展了真空沿面电弧放电过程和产物特性研究,结合放电参数、辐射光谱和高速图像诊断,研究电脉冲作用下放电等离子体形成和演变过程,分析不同磁场下等离子体通道和羽流时空演化规律;收集喷溅产物进行形... 详细信息

针对微阴极电弧推力器(μ-CAT)应用开展了真空沿面电弧放电过程和产物特性研究,结合放电参数、辐射光谱和高速图像诊断,研究电脉冲作用下放电等离子体形成和演变过程,分析不同磁场下等离子体通道和羽流时空演化规律;收集喷溅产物进行形貌分析,对比不锈钢和钛电极下放电烧蚀产物的宏、微观特性。结果表明,放电起始于“电极−真空−涂层”的三结合点,随后涂层局部放电形成沟通两电极的沿面放电通道;外施100 mT量级的磁场能够改善放电连续性和羽流形貌(发光截面可达无磁场时的2倍);放电结束后,电极热产物喷射过程可持续50~60μs,且阴、阳极存在差异。从收集到的喷溅产物来看,金属电极材料的沉积以均匀分布的纳米颗粒为主,而电极上方Si片沉积呈现微米级无定形石墨形貌。电极烧蚀典型喷溅产物和熔池特征受到电极材料的影响,不锈钢相对于钛电极的产物粒径及电极烧蚀坑尺径更大。因此,磁场、电极材质对真空沿面放电过程及产物形貌有一定影响,从而对μ-CAT性能产生影响。

关键词：脉冲放电微阴极电弧推力器真空电弧图像诊断电极烧蚀