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离子推力器三栅极系统的3维PIC仿真

高电压技术 2014年第10期40卷 3012-3017页

作者：陈茂林夏广庆杨正岩张斌徐宗琦毛根旺西北工业大学固体火箭发动机燃烧、热结构与内流场国防科技重点实验室西安710072 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116024 中国航天科工集团第九总体设计部武汉430040

为优化离子推力器中栅极系统设计,采用三维粒子云网格(PIC)仿真方法对三栅极系统等离子体输运过程进行了仿真,并与两栅极仿真结果进行对比,分析了三栅极特有的减速栅对栅极系统内束流分布、电子返流阀值、截止电流和交叉电流阀值、离子... 详细信息

为优化离子推力器中栅极系统设计,采用三维粒子云网格(PIC)仿真方法对三栅极系统等离子体输运过程进行了仿真,并与两栅极仿真结果进行对比,分析了三栅极特有的减速栅对栅极系统内束流分布、电子返流阀值、截止电流和交叉电流阀值、离子通过率和发散角损失等参数的影响。研究结果表明减速栅的主要作用包括:对离子通过率无影响,对截止电流影响不明显,但可大幅减弱甚至消除交叉电流限制问题;对加速栅腐蚀有明显的抑制作用,工作区间内的加速栅电流降低50%;增强了下游区域的径向电场,部分离子会偏离主束流区域,导致发散角损失增大;可改善加速栅孔附近电势分布,对电子返流阀值影响明显,对于1~4 A的束电流,仅需-60^-50 V的负偏压便可实现对电子返流的抑制。

关键词：离子推力器栅极系统等离子体模拟 PIC 减速栅束流

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碘工质射频离子推力器栅极系统束流特性仿真

中国空间科学技术 2022年第6期42卷 115-124页

作者：张元哲韩先伟杨振宇鲁海峰谭畅西安航天动力研究所陕西省等离子体物理与应用技术重点实验室西安710100

为分析碘工质射频离子推力器束流特性,应用粒子云网格算法(PIC),对碘工质射频离子推力器栅极系统进行三维数值仿真。碘工质电离产物中除了大量存在的I^(+),还包含少量I^(+)_(2)、I^(2+)、I^(3+)几种多价离子。对添加多价离子前后束流特... 详细信息

为分析碘工质射频离子推力器束流特性,应用粒子云网格算法(PIC),对碘工质射频离子推力器栅极系统进行三维数值仿真。碘工质电离产物中除了大量存在的I^(+),还包含少量I^(+)_(2)、I^(2+)、I^(3+)几种多价离子。对添加多价离子前后束流特性的仿真结果进行对比,得出该栅极系统离子空间分布、电势分布、离子相空间分布以及束流、束流发散角,并对变密度工况下束流大小进行统计。计算结果表明,程序能较好地模拟离子在栅极系统中的运动情况:添加多价离子后,等离子体悬浮电势有所上升,鞍点电势有所下降,但整体电势分布的变化幅度较小;添加多价离子后束流大小略有增加,束流发散角略有减小,通过理论分析可知仿真所得理论推力及理论比冲均有小幅度增加;放电室等离子体数密度增加到约2.4×10^(17)m^(-3)时,该栅极系统达到了束流引出的极限,后续增大等离子体密度引出束流不增反降。模拟结果可以为碘工质射频离子推力器栅极系统的设计提供参考。

关键词：射频离子电推进碘工质栅极系统 PIC算法束流特性

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等离子体密度对栅极系统束流影响分析

中国空间科学技术 2012年第3期32卷 72-77页

作者：贾艳辉李忠明张天平李娟兰州空间技术物理研究所真空低温技术与物理重点试验室兰州730000 义乌工商学院机电信息分院义乌322000

针对现有离子推力器栅极系统束流引出分析中未考虑放电室等离子体密度均匀性影响的不足,基于数值方法对该问题进行了研究。采用单元内粒子(Particle In Cell,PIC)方法对栅极系统束流引出进行了数值模拟。PIC方法中电场求解采用有限差分... 详细信息

针对现有离子推力器栅极系统束流引出分析中未考虑放电室等离子体密度均匀性影响的不足,基于数值方法对该问题进行了研究。采用单元内粒子(Particle In Cell,PIC)方法对栅极系统束流引出进行了数值模拟。PIC方法中电场求解采用有限差分方法,离子加速方法采用跳蛙格式。以国产20cm Xe离子推力器作为算例,计算得到了栅极中心和边缘孔引出束流离子和电场的分布。结果显示栅极中心孔相对边缘孔束流聚焦性好,束流发散角小,但中心孔轴线的鞍点电势较边缘孔高24.8V。因此,放电室等离子体密度分布对束流引出具有重要影响,电子返流现象最先出现在栅极中心位置。

关键词：单元内粒子方法离子推力器栅极系统等离子体航天器

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两阶段离子推进器栅极系统性能及寿命的研究

两阶段离子推进器栅极系统性能及寿命的研究

作者：林兴发哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

离子推进器是电推进技术中最重要的应用之一。其工作原理是通过高压来加速被电离成等离子体的稀有气体,并在最后通过电子中和离子形成推力。相比于其他推进器而言,离子推进器的优点是工作原理相对简单。缺点是由于其自身的固有缺陷,导... 详细信息

离子推进器是电推进技术中最重要的应用之一。其工作原理是通过高压来加速被电离成等离子体的稀有气体,并在最后通过电子中和离子形成推力。相比于其他推进器而言,离子推进器的优点是工作原理相对简单。缺点是由于其自身的固有缺陷,导致其栅极系统电压不能任意增加,继而导致其推力的大小受到限制。为了加强深空探索的能力,对于传统离子推进器的改进已刻不容缓。由Fearn设想的多阶段加速光学系统,应用在离子发动机上可以很好的解决离子推进器的缺点。这个新模型能够在栅极系统上施加极大的电压差来获得想要的推力。但是由于该模型比较新,对其研究尚不充分,尤其对其栅极系统的聚焦性能及寿命的相关研究的部分。本文即针对两阶段栅极系统的聚焦性能和寿命问题进行相关的研究。通过建立了基于IFE-PIC算法的三维模型来对离子推进器栅极系统的引出过程进行数值模拟,从而研究其栅极系统的聚焦性能。程序主要由PIC和IFE两大块组成。传统离子推进器与两阶段的不同具体体现在PIC模块中。其中PIC算法即是对计算区域内的每个粒子运动进行相关的计算,并更新粒子的运动直至仿真区域稳定。IFE算法则是计算每个迭代过程中仿真区域各个网格节点上的电势大小,从而得到粒子所受电场力大小。由于两阶段栅极系统模型的具体参数尚未公开,本文以现有的两阶段离子推进器栅极系统的模型为依据,同时参考QinetiQt6传统离子推进器的光学系统的参数,通过计算确定了两阶段栅极系统的基本参数。在得到两阶段栅极系统相关参数后,基于IFE-PIC方法对两阶段栅极系统进行仿真并得到其工况曲线图。由于两阶段离子推进器在上游离子密度较小的时候,相比于传统离子推进器,其加速栅极的冲击情况严重。本文根据设计过程,通过调整两阶段栅极系统中引出栅极孔径和加速栅极孔径的大小来改进模型的参数选择。由于两阶段的优势在于其栅极系统能施加极大的电压差得到想要的推力。而实际中,推进器的电源均是采用太阳能,暂时达不到极大的电压差,因此本文将对低功率情况下,两阶段的聚焦性能做相关的仿真分析。最后,考虑到大功率情况下的两阶段模型,对栅极的腐蚀情况将十分严重,进而影响离子推进器的寿命。因此,为了推高两阶段模型的寿命,本文还将研究参数改进后的两阶段栅极系统的腐蚀过程和程度。

关键词：离子推进器栅极系统聚焦性能腐蚀

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离子发动机栅极系统电子回流数值模拟

航空动力学报 2009年第6期24卷 1389-1395页

作者：钟凌伟刘宇顾左李娟江豪成王海兴汤海滨北京航空航天大学宇航学院北京100191 兰州物理研究所兰州730000

以离子发动机栅极系统为研究对象,基于网格质点法(PIC),建立了二维数值计算模型.利用模型能够较好地模拟离子在栅极系统中的运动,得到栅极系统周围的电势分布以及离子和电子的密度分布等.进一步的计算结果表明,在几何参数一定的条件下,... 详细信息

以离子发动机栅极系统为研究对象,基于网格质点法(PIC),建立了二维数值计算模型.利用模型能够较好地模拟离子在栅极系统中的运动,得到栅极系统周围的电势分布以及离子和电子的密度分布等.进一步的计算结果表明,在几何参数一定的条件下,加速栅极电压以及加速栅极孔径对加速栅极下游的电子密度分布有重要的影响.选取合适的加速栅极电压和孔半径,可以阻止电子回流的产生,使离子发动机获得较佳的性能.

关键词：离子发动机栅极系统电子回流

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电荷交换离子对栅极系统束流影响的数值研究

航空动力学报 2009年第8期24卷 1911-1916页

作者：钟凌伟刘宇王海兴汤海滨任军学北京航空航天大学宇航学院北京100191

采用二维网格质点法(PIC)计算离子在离子发动机栅极系统中的运动,通过在模型中添加离子和中性粒子电荷交换的Monte Carlo碰撞模块,得到了电荷交换离子在栅极周围的分布及电荷交换离子的运动规律.计算结果表明:考虑电荷交换离子后,屏栅... 详细信息

采用二维网格质点法(PIC)计算离子在离子发动机栅极系统中的运动,通过在模型中添加离子和中性粒子电荷交换的Monte Carlo碰撞模块,得到了电荷交换离子在栅极周围的分布及电荷交换离子的运动规律.计算结果表明:考虑电荷交换离子后,屏栅极电流较不考虑电荷交换离子情况时增大了1.42%,所受影响不大,加速栅极电流由0增大到主束流电流的1.41%.模拟结果表明:加速栅极下游较远处产生的电荷交换离子,是造成加速栅极下游面腐蚀及加速栅极电流的主要原因.

关键词：离子发动机栅极系统电荷交换离子网格质点法 MonteCarlo碰撞

离子推力器栅极系统仿真典型验证技术研究现状

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真空与低温 2020年第2期26卷 144-151页

作者：王聪郭宁刘超贾艳辉兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室兰州730000

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... 详细信息

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。

关键词：离子推力器栅极系统仿真模型验证技术

无中和器离子推力器的发展现状、关键技术及展望

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科学通报 2023年第1期68卷 112-127页

作者：孙安邦李昊霖杨谨远范健张思远李程张立伟王亚楠张冠军西安交通大学电气工程学院电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049 北京宇航系统工程研究所北京100076

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... 详细信息

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.

关键词：电推进无中和器离子推力器栅极系统电负性工质自偏压效应

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离子推力器栅极透过率径向分布特性研究

物理学报 2017年第16期66卷 60-68页

作者：龙建飞张天平李娟贾艳辉兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室兰州730000

栅极系统是离子推力器的主要组件,其透过率特性对推力器的效率和推力具有重要影响.为了进一步优化栅极性能和有效评估离子推力器效率,对离子推力器栅极透过率径向分布进行研究.采用particle-In-CellMonte Carlo Collision数值仿真方法... 详细信息

栅极系统是离子推力器的主要组件,其透过率特性对推力器的效率和推力具有重要影响.为了进一步优化栅极性能和有效评估离子推力器效率,对离子推力器栅极透过率径向分布进行研究.采用particle-In-CellMonte Carlo Collision数值仿真方法对束流引出过程进行了模拟.分析了屏栅、加速栅以及栅极系统的透过率随栅孔引出束流离子数量的变化关系,结合放电室出口离子密度分布,进而分别得到屏栅透过率、加速栅透过率和栅极系统透过率的径向分布特性,最后进行实验验证.研究结果表明:屏栅透过率径向分布具有中心对称性,在推力器中心有最小值,从中心沿着径向逐渐增大;加速栅透过率径向分布与屏栅透过率变化趋势相反;栅极系统透过率受加速栅透过率的影响很小,其径向分布与屏栅透过率径向分布相近;离子推力器栅极总透过率随着束流增大而缓慢减小.研究结果可为离子推力器栅极优化提供参考.

关键词：离子推力器栅极系统透过率粒子模拟