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射频离子推力器放电室结构优化研究

真空科学与技术学报 2021年第9期41卷 871-876页

作者：钱都马儒坤章思丁亮唐振宇王国栋合肥工业大学机械工程学院真空工程系合肥230009 北京卫星环境工程研究所北京100094

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... 详细信息

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。

关键词：射频离子推力器放电室结构有限元分析离子密度

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射频离子推力器研究进展

空间控制技术与应用 2021年第4期47卷 21-30页

作者：李嘉惠韩亚杰李永夏广庆刘旭辉孙安邦孙斌韩道满鹿畅大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116024 大连理工大学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 西安交通大学电气工程学院西安710049

射频离子推力器由于高比冲、长寿命、高效率等优点在电推进领域中占有重要地位.为了进一步缩减推进系统的质量和体积,降低成本,一些新型射频离子推力器相继出现,其中无中和器射频离子推力器备受关注.对传统射频离子推力器的国内外研究... 详细信息

射频离子推力器由于高比冲、长寿命、高效率等优点在电推进领域中占有重要地位.为了进一步缩减推进系统的质量和体积,降低成本,一些新型射频离子推力器相继出现,其中无中和器射频离子推力器备受关注.对传统射频离子推力器的国内外研究及发展现状进行了总结,分析了射频离子推进技术中涉及的关键技术,概述了无中和器射频离子推力器的原理及研究进展,给出了射频离子推力器的发展方向和建议.

关键词：电推进射频离子推力器离子-离子推力器自中和射频离子推力器工质

放电室长径比对射频离子推力器影响的数值模拟研究

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推进技术 2022年第5期43卷 408-416页

作者：杨三祥李兴达蒲彦旭刘超陈娟娟吴辰宸贾艳辉郭宁耿海孙新锋陈新伟兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室甘肃兰州730000

为获得推力器的性能与推力器工况之间的变化规律,利用等离子体密度平衡方程、中性气体密度平衡方程、中性气体功率平衡方程、电子功率平衡方程构成的全域模型对氙工质射频离子推力器开展了数值模拟研究。结果表明,放电室长径比(L/R)的... 详细信息

为获得推力器的性能与推力器工况之间的变化规律,利用等离子体密度平衡方程、中性气体密度平衡方程、中性气体功率平衡方程、电子功率平衡方程构成的全域模型对氙工质射频离子推力器开展了数值模拟研究。结果表明,放电室长径比(L/R)的改变引起放电室壁上消耗功率的变化,从而影响推力器的性能。在放电室体积和工质流率不变的情况下,放电室的开口面积越大,越有利于射频功率的转换和推力器性能的提升。此外,改变工质流率导致离子间碰撞平均自由程和碰撞频率发生变化,进而使推力器的射频功率转换效率、推力效率、推功比随工质流率的增加而增加,工质利用率随着工质流率的增加而减小。

关键词：射频离子推力器全域模型长径比工质流率数值研究

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微型射频离子推力器自中和引出特性研究

推进技术 2024年第9期45卷 260-268页

作者：付宸聪董宜承李亦非王海波王伟宗李兴达王晓毅闫家启北京航空航天大学宇航学院北京102206 兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室甘肃兰州730000

本文基于自行研制的微型射频离子推力器BHRIT-4,针对其自中和引出束流形貌特性、外电路特性和束流离子能量特性开展了研究工作。研究结果表明,推力器在自中和引出模式下,自中和引出束流区亮度高,存在强烈电子激发反应,羽流区平均悬浮电... 详细信息

本文基于自行研制的微型射频离子推力器BHRIT-4,针对其自中和引出束流形貌特性、外电路特性和束流离子能量特性开展了研究工作。研究结果表明,推力器在自中和引出模式下,自中和引出束流区亮度高,存在强烈电子激发反应,羽流区平均悬浮电势维持在1.19 V;射频自偏压与引出功率不呈正相关关系,存在最佳引出功率值以实现最大射频自偏压,最大射频自偏压超过300 V;自中和引出束流的离子能量分布函数不服从高斯分布且展宽较大,部分工况下存在双峰信号。

关键词：空间电推进射频离子推力器自中和引出特性实验研究

微型射频离子推力器放电等离子体全局模型仿真研究

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电工技术学报 2021年第15期36卷 3113-3123页

作者：李亦非付宸聪蔡国飙王伟宗北京航空航天大学宇航学院北京100191

微型射频离子推力器具有结构简单、工作寿命长、推力动态范围大、性能调节响应灵敏等特点,是国际微电推进领域的研究热点之一。射频离子推力器电离室内的感性耦合放电等离子体特性和推力器的性能密切相关。该文建立了多软件联合仿真的... 详细信息

微型射频离子推力器具有结构简单、工作寿命长、推力动态范围大、性能调节响应灵敏等特点,是国际微电推进领域的研究热点之一。射频离子推力器电离室内的感性耦合放电等离子体特性和推力器的性能密切相关。该文建立了多软件联合仿真的射频离子推力器放电等离子体全局模型,对所设计放电室内径为40mm的微型射频离子推力器开展了包含电磁场、温度场、电路、等离子体化学反应的多物理场耦合仿真分析,并研究了等离子体放电特征参数及推力器性能参数随输入功率、屏栅电势、工质流量及射频频率等因素的变化规律。结果表明,所建立的全局模型计算结果与实验数据吻合良好,输入功率、屏栅电势、工质流量是调节微型射频离子推力器性能的主要因素,该研究为综合调控微型射频离子推力器的工作性能奠定了良好基础。

关键词：射频离子推力器全局模型多物理场联合仿真

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射频离子推力器启动与维持特性实验研究

射频离子推力器启动与维持特性实验研究

作者：孙建宁哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

人类日益增加的空间领域活动加剧了对航天推进技术的需求,电推进由于具有比冲高、寿命长、结构紧凑等优势逐渐引起了航天界的关注与重视。为了满足达尔文计划,地球重力场反演,引力波探测等空间任务,各国研究机构加大了对微牛级电推进的... 详细信息

人类日益增加的空间领域活动加剧了对航天推进技术的需求,电推进由于具有比冲高、寿命长、结构紧凑等优势逐渐引起了航天界的关注与重视。为了满足达尔文计划,地球重力场反演,引力波探测等空间任务,各国研究机构加大了对微牛级电推进的研究力度。射频离子推力器因其良好的缩放特性及简单的结构,成为了微牛级推力器的不错选择。由于微型射频离子推力器存在点火困难的问题,因此本文在设计了一款4cm直径的推力器的基础上,对其点火特性展开了实验研究,并对推力器的性能做了综合测试,具体工作如下:首先,本文参考国内外的研究经验完成了推力器的整体参数设计,并在该基础上对实验中遇到栅极间定位与绝缘问题做出了专门的优化改进,实验结果表明新的设计结构有效的避免了沉积效应造成的栅极间短路问题,提高了栅极寿命。其次,根据射频放电中常见的阻抗匹配与功率馈入问题介绍了实验中的匹配网络设计原理以及功率馈入技术,并对四种点火方案进行了实验验证与点火特性分析。结果表明大流量冲击点火虽然有着较高的点火可靠性,但是点火前后的匹配状态会发生较大的变化,降低频率会提高点火所需的流量条件;对于憋气式点火方式,在低正向功率下,点火所需的压强脉冲相对较高,在低流量下,正向功率30W下,点火后反射功率比例较小,推力器状态更加稳定;栅极间直流电压点火虽然可以降低点火时的流量调节范围,但是该点火方式存在点火具有一定随机性;憋气式栅极直流电压点火方案有效的降低了点火所需的栅极电压以及憋气时间,点火瞬时发生,在一定的点火条件下可以实现高可靠性点火,是目前较为满意的点火方式。最后,本文对推力器的性能参数做了综合测试,结果表明在一定范围内增大功率、流量以及栅极间加速电压均可提高推力器的离子引出及推力,并且推力和比冲在特定工况下随屏栅极电压基本呈线性变化。当推力器工作在高工况条件下,其匹配特性并不会随栅极电压的增加而发生明显的变化,而在降低了流量和功率后,离子引出将会对推力器的放电造成明显的影响,甚至导致推力器熄火。

关键词：射频离子推力器阻抗匹配网络大流量冲击点火栅极电压点火离子引出

射频离子推力器放电室及引出系统理论设计与特性研究

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射频离子推力器放电室及引出系统理论设计与特性研究

作者：钱都合肥工业大学

学位级别：硕士

射频离子推力器(RIT)在引力波测量、空间碎片清除、轨道转移等领域占据重要地位,等离子体产生过程和离子引出加速过程是决定推进器性能的关键,也是当前研究的热点。为了优化RIT性能、减少能源消耗、提高可持续性,需要对放电室的放电特... 详细信息

射频离子推力器(RIT)在引力波测量、空间碎片清除、轨道转移等领域占据重要地位,等离子体产生过程和离子引出加速过程是决定推进器性能的关键,也是当前研究的热点。为了优化RIT性能、减少能源消耗、提高可持续性,需要对放电室的放电特性和离子光学系统(IOS)的输运机制展开深入研究,从而更好地指导推进器设计,并结合未来新型推进剂需求,分析电离态碘在IOS的输运特性。具体内容包括以下几个方面:(1)基于射频电离机制和离子引出加速机制,初步设计了10 m N级RIT放电室及离子光学系统组件,主要包括:相关部件的尺寸、材料和绝缘性,并对比了不同推进剂的特点,选取了较为适合的推进剂。(2)在单因素和多因素交互作用下,采用基于弗拉索夫-泊松(V-P)迭代的数值模拟方法结合实验设计手段,系统地研究了IOS的性能,重点探究各参数对离子透过率和中性气体泄漏率的影响及显著性,实现了IOS性能的多目标优化,并评估了优化栅网在不同工况下的性能,为高性能推进器设计奠定了基础。(3)基于有限元分析软件模拟了RIT的放电过程,从放电室的射频功率、长径比、室内气压和结构四个方面分析了其对等离子体参数的影响。耦合球壳圆柱的放电室结构和优化的离子光学系统计算推进器性能,提出了调变射频功率和屏栅电压实现高效、精确调节推力的方案,在总功率489W下,实现了14.7 m N的推力、3577 s的比冲和0.55的推进器效率。模拟结果与实验结果误差约10%,证明了模型的可靠性。(4)基于V-P迭代方法模拟了碘工质推进器在IOS内的离子输运情况,与氙工质相比,碘工质条件下的主要差异在于:屏栅鞘层更平坦、离子透过率略小于氙工质,发散角差距较小,发散角极值所对应的束流值小于氙工质,碘工质在推力性能上表现出了更好地结果;在变数密度比例的条件下,随着I占比的增加,碘工质性能曲线均趋向氙工质曲线,弥补了碘工质在过大束流条件下易出现“欠聚焦”现象的局限性,证明了碘具有新型推进剂的潜力。本文的研究方法为射频离子推力器的生产设计提供理论及技术支持,仿真研究结果可供射频离子推力器参数选定和性能调节提供参考。

关键词：射频离子推力器等离子体粒子输运碘工质数值模拟

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无中和器射频离子推力器原理研究

中国空间科学技术 2016年第1期36卷 1-8页

作者：夏广庆徐宗琦王鹏朱雨陈茂林大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116024 中国科学院深圳先进技术研究院深圳518055 西北工业大学燃烧热结构与内流场重点实验室西安710072

在电推力器的广泛应用中,大部分都采用加速正离子的方式产生推力,且需要安装中和器发射电子对喷射出的正离子进行中和,否则会导致航天器自充电,对其通信及电子器件造成损害。因此,中和器的性能成为制约电推力器工作状态和寿命的重要因... 详细信息

在电推力器的广泛应用中,大部分都采用加速正离子的方式产生推力,且需要安装中和器发射电子对喷射出的正离子进行中和,否则会导致航天器自充电,对其通信及电子器件造成损害。因此,中和器的性能成为制约电推力器工作状态和寿命的重要因素。为了克服该缺点,介绍了一种基于同时加速正、负离子的无中和器射频离子推力器,阐述了其结构组成及推进原理,分析了离子-离子的产生、正负离子的加速过程,指出了关键技术包括电负性工质气体放电特性、磁场过滤电子束缚效能,以及可周期性交替加速正、负离子的栅极偏置电压加载方式。分析表明,该推力器在低轨航天器及深空探测器中具有潜在的应用前景。

关键词：电推进负离子射频离子推力器电负性气体离子-离子推力器磁过滤交变电压

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基于放电室均布模型的射频离子推力器研究

中国空间科学技术 2021年第3期41卷 1-8页

作者：颜能文郭宁吴辰宸谷增杰杨兆伦兰州空间技术物理研究所兰州730000

为了研究工作参数和结构参数对射频离子推力器放电性能的影响规律,通过开展放电室均布模型数值仿真和推力器性能试验,研究了射频离子推力器LRIT-40的放电机理和放电性能随结构参数和工作参数的变化规律。研究发现,减小长径比或增大工质... 详细信息

为了研究工作参数和结构参数对射频离子推力器放电性能的影响规律,通过开展放电室均布模型数值仿真和推力器性能试验,研究了射频离子推力器LRIT-40的放电机理和放电性能随结构参数和工作参数的变化规律。研究发现,减小长径比或增大工质流率、栅极电压及射频功率均能增大推力器束电流,改善推力器性能。通过分析试验结果和仿真结果得到,放电室均布模型可用于研究射频离子推力器的性能。

关键词：电推进射频离子推力器均布模型建模仿真性能试验