离子推力器放电损耗特性研究

电子回旋共振离子推力器放电室低信号调试
孟志强;杨涓;许映乔;李鹏飞
【期刊名称】《推进技术》
【年(卷),期】2011(32)3
【摘要】微波输入技术是电子回旋共振离子推力器的关键技术之一,输入微波在推力器放电室内产生谐振的时候,微波功率才能高效地被吸收,从而电离气体,提高电子的能量,增加等离子体的电离度。

电子回旋共振离子推力器放电室是一个不规则的微波谐振腔,很难从理论上确定其谐振状态下的结构。

本文利用网络分析仪,采用微波无源器件回波损耗的测试方法对放电室进行精确调谐,分析微波谐振频率及带宽,目的在于详细研究放电室的结构尺寸、微波耦合探针形状和尺寸在谐振状态下的匹配性。

调试结果表明放电室增加14 mm圆柱段,选择圆柱段长度22 mm和球形直径9 mm的组合探针,可以得到较好的谐振状态,此时腔体的回波损耗为-23 dB,谐振频率4.195 GHz,谐振带宽为0.025 0 GHz,品质因素为167.848。

【总页数】4页(P421-424)
【作者】孟志强;杨涓;许映乔;李鹏飞
【作者单位】西北工业大学航天学院
【正文语种】中文
【中图分类】V439.1
【相关文献】
1.电子回旋共振推力器放电室内磁场与微波电磁场分析
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074002-1第27卷第7期强激光与粒子束V o l .27,N o .72015年7月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM SJ u l .,2015离子推力器放电室能量平衡研究*龙建飞, 张天平, 孙明明, 吴先明(兰州空间技术物理研究所真空低温技术与物理重点实验室,兰州730000) 摘 要: 为探索放电室能量损耗机制,开展了离子推力器放电室能量平衡研究㊂基于放电室零维模型,得到放电室电流平衡关系,结合放电室电势分布,分析放电室能量损耗并建立了能量平衡模型㊂应用模型计算L I P S 200离子推力器放电室各项能量损耗,并进一步得到各能量损耗所占比例,所得结果与国外离子推力器N E X T 具有较好的一致性;采用多工况试验参数(阳极电流4.0~4.4A ,阳极电压34~38V )对放电室总能量损耗进行动态验证,结果表明:计算结果与试验结果误差小于3%㊂ 关键词: 离子推力器; 放电室; 能量损耗; 能量平衡中图分类号: V 439.4 文献标志码: A d o i :10.11884/H P L P B 201527.074002离子推力器具有高比冲㊁长寿命等特点,作为空间动力装置被广泛应用于卫星的位置保持和姿态控制等空间任务[1-2]㊂放电室能量损耗对离子推力器结构设计及性能优化等具有重要意义㊂1985年美国B r o p h y 等人[3]建立起离子推力器放电室能量损失的理论计算模型㊂2007年,G o e b e l [4]在放电室性能研究过程中,对各项能量损耗进行了详细描述,并建立了放电室零维模型㊂2012年,N o o r d 等人[5]根据前期总结的离子推力器等离子体产生模型建立了N S T A R -30离子推力器和N E X T 离子推力器能量损耗模型㊂目前,放电室能量损耗模型均是等离子体密度分布㊁带电粒子能量等微观参数的函数㊂由于等离子体微观参数跟放电室结构㊁磁场等敏感参数相关,同时其本身空间分布具有离散性,致使等离子体微观参数很难精确得到,使得这些国外模型的应用不具有普适性㊂本文基于放电室零维模型,推导出放电室电流平衡关系,结合电势分布,分析得到放电室能量损耗表达式,并建立相应模型㊂模型中各能量损耗是推力器结构参数㊁工作参数及性能参数的相关函数㊂应用模型对国内L I P S200推力器进行计算,并采用多工况试验对计算结果进行动态验证,确保了模型计算的准确性㊂1 理论模型离子推力器稳定工作时,放电室等离子体为低温等离子体,其中带电粒子成分主要包括:原初电子㊁二次电子㊁一价离子及高价离子,而高价离子所占比例很小,一般可以忽略[6]㊂带电粒子在空间电磁场耦合作用下,流向不同边界进而形成相应电流㊂放电室等离子体产生过程及各边界电流形成过程中,均将产生能量损耗㊂1.1 放电室电势分布及电流F i g.1 S c h e m a t i c o f p o t e n t i a l d i s t r i b u t i o n i nd i s c h a r ge c h a m b e r 图1 放电室电势分布示意图放电室内电势分布如图1所示[7]㊂以阴极发射体为参考电势,阴极触持电压为V c ,阳极电压为V d ,等离子体与鞘层边界电势差为V p ,鞘层电势为Φ;阳极面积为A ,阴极表面电子吸收面积为A a ㊂其中,V d 和V c 为离子推力器工作参数,由外部电源独立提供,V p 近似为k T e /2e ㊂鞘层电势[7]表达式满足Φ=k T e e l n A a A 2M πæèçöø÷m ,M 为氙离子质量,m 为电子质量,e 为电子电荷,k 为玻耳兹曼常数;T e 为二次电子温度㊂*收稿日期:2014-12-23; 修订日期:2015-04-06基金项目:真空低温技术与物理重点实验室基金项目(9140C 550206130C 55003)作者简介:龙建飞(1984 ),男,博士,工程师,主要从事空间电推进技术研究;l jf 510@163.c o m ㊂074002-2放电室内边界电流示意图如图2所示[7]㊂进入放电室原初电子电流为I e ,返流回阴极离子电流为I k ,阳极表面接收离子电流为I i a ,束流离子电流为I b ,屏栅截获离子电流为I s ,阳极表面接收二次电子电流为I a ,阳极表面接收原初电子电流为I L㊂F i g .2 S c h e m a t i c o f i o n t h r u s t e r s h o w i n g c u r r e n t i nd i s c h a r g e c h a m b e r 图2 放电室电流示意图 返流回阴极的离子电流I k 一般很小[8],本文近似取0.1A ㊂I b ,I s ,I i a 以及I a 电流表达式根据放电室零维模型[4]得到I b =12n i e k T e M A s T s I s =12n i e k T e M A s (1-T s )I i a =12n i e k T e M A i a f c I a =14n e e 8k T e πm A a e x p (-e Φk T eìîíïïïïïïïïïïï)(1)式中:e 为电子电荷;n i 为离子密度;n e 为二次电子密度;A s 为屏栅开孔面积;T s 为屏栅有效透明度;A i a 为阳极表面离子吸收面积(近似为阳极面积);f c 为阳极接收离子的磁控因子,是放电室磁极表面处磁场强度的函数;阳极表面电子吸收面积A a 与电子拉莫尔半径r e ,离子拉莫尔半径r i ,以及放电室磁环长度L c 相关㊂放电室总流入电流等于总流出电流㊂由于电子形成电流与其流向方向相反,放电室流入电流包括I a 和I L ,而流出电流包括I e ,I i a ,I b ,I s 和I k ㊂因此,放电室电流平衡表达式为I a +I L =I e +I i a +I b +I s +I k(2) 以阳极壁面为分析对象,同样满足电流守恒方程式,其中I d 为阳极电流,可以通过试验测试直接得到,有I d =I i a +I L -I i a(3) 根据放电室零维模型中电流表达式(1),并联立平衡方程式(2)~(3),将各电流转换成离子推力器放电室结构参数,工作参数以及性能参数的函数,得到新的表达式为I s =1-T s T s I bI i a =A f cA s T s I bI a =A A s T s I bI L =I d -0.9A A s T sI bI e =I d -I b T s-0.ìîíïïïïïïïïïïïï1(4)F i g .3 S c h e m a t i c o f e n e r g y l o s s i nd i s c h a r ge c h a m b e r 图3 放电室能量损耗示意图1.2 放电室能量损耗离子推力器放电室各能量损耗示意图如图3所示㊂根据放电室工作过程分析可知,放电室各项能量损耗主要包括:放电室等离子体产生过程中的能量损耗,包括激发能量损耗P e x i 和电离能量损耗P i o n ;返回阴极离子电流产生的能量损耗P k ;阳极表面能量损耗,包括轰击阳极表面离子电流产生的能量损耗P i a ,轰击阳极表面二次电子产生能量损耗P a ,轰击阳极表面原初电子产生的能量损耗P L ;流向栅极束流离子产生的能量损耗P b ;屏栅截获离子电流产生的能量损耗P s 等㊂放电室输入功率为阳极电流乘以阳极电压,通过试验测试可以直接计算得到,而放电室各项能量损耗无法通过试验直接测出㊂根据能量守恒定律,放电室内满足输入功率等于输出功率㊂其中,放电室内总的能量损耗为强激光与粒子束074002-3P o u t =P e x i +P i o n +P k +P i a +P a +P L +P b +P s(5) (1)等离子体产生过程能量损耗电子与工质气体发射激发㊁电离碰撞,进而产生等离子体㊂激发过程产生的能量损耗P e x i 和电离过程中能量损耗P i o n 有如下关系式P e x i =n 0n e <σ*V e >V ε*+n 0n p <σ*V p >V ε*P i o n =n 0n e <σi V e >V εi +n 0n p <σi V p >V ε{i(6)其中n 0为原子密度,n e 为二次电子密度,n p 为原初电子密度,<σ*V e >为二次电子激发反应系数,<σ*V p >为原初电子激发反应系数,ε*为平均激发损失能量,<σi V e >为二次电子电离反应系数,<σiV p >为原初电子电离反应系数,εi为平均电离损失能量,V 为等离子体体积㊂将离子推力器放电室内相关参数做如下近似[9-10]:n p 近似为ne 的0.2倍,ε*为8.35e V ,εi为12.13e V ㊂二次电子平均能量取3.9e V ,原初电子进入放电室并获得加速,其平均能量21e V ,对应激发反应系数和离化反应系数查阅文献数据库[7]得到㊂激发能量损耗与电离能量损耗之间近似满足P e x i ʈ1.2P i o n(7) 电离碰撞产生的能量损耗满足关系式P i o n =(I b +I i a +I k )εi=12.13(I b +3.54A )(8) (2)返回阴极离子电流产生的能量损耗返回阴极离子电流能量损耗中,平均离子损耗能量对应为等离子体电势与触持极电势之差,因此该项能量损耗为P k =I k (V d +V p +Φ-V c )(9) 放电室二次电子温度约为3.9e V ,对应V p 约为2V ,鞘层电势Φ约为10V ,则进一步计算得到P k =0.1(V d +12-V c )(10) (3)阳极表面能量损耗放电室内到达阳极表面的粒子包括离子㊁二次电子和原初电子㊂各带电粒子轰击阳极表面共同产生了阳极表面能量损耗㊂离子轰击阳极表面产生的能量损耗为阳极离子电流I i a 乘以平均离子能量损耗εi ,其中εi =k T e /2e +Φ[7],因此,得到阳极离子能量沉积损耗为P i a =I i a εi =1.2A A s T sI b(11) 放电室等离子体中二次电子受磁场约束做螺旋运动,向阳极表面运动过程中必须克服鞘层电势才能到达,在此过程中,平均电子能量损耗εe =2k T e /e +Φ[7],因此,二次电子在阳极表面的能量损耗为P a =I a εe =17A A s T sI b(12) 原初电子从阴极出来,在放电室磁场控制下做螺旋运动,大部分原初电子与中性原子发生激发㊁电离碰撞,损失能量而变成二次电子,只有极少部分原初电子直接轰击到阳极表面㊂根据电流守恒及放电室电势关系,可得到阳极表面原初电子电流能量损耗满足关系P L =I L ΔV L =(I d -0.9A A s T sI b )(V d +12-V c )(13) (4)流向栅极束流离子能量损耗放电室中离子在流向栅极引出之前,离子经历电势降产生能量损耗,平均离子能量损耗为V p +Φ,则对应产生的能量损耗为P b =I b (V p +Φ)=12I b (14) (5)屏栅截获离子能量损耗放电室中屏栅电压与阴极发射体同电位,所以屏栅截获离子能量损耗为P s =I s (V d +V p +Φ)=1-T s T sI b (V d +12)(15) 通过以上表达式,可以将放电室各能量损耗转换成推力器结构参数㊁工作参数和性能参数的函数,具体包龙建飞等:离子推力器放电室能量平衡研究074002-4括:放电室阳极面积㊁屏栅开孔面积,阳极电压㊁触持电压㊁束电流,屏栅有效透明度等参数,具体如下P o u t =P k +P i a +P a +P L +P b +P s +P i o n +P e x i =0.1(V d +14-V c )+1.4A A s T s I b +18A A s T s I b +(I d -0.9A A s T sI b )(V d +14-V c )+14I b +1-T s T sI b (V d +14)+12.13(I b +3.54A )+14.55(I b +3.54A )(16)2 计算分析与验证本文以兰州空间技术物理研究所自主研发的L I P S 200离子推力器为对象开展研究,放电室能量损耗模型中涉及的离子推力器相关参数如表1所示㊂其中工作参数及性能参数为L I P S 200推力器额定工况[9]下测试所得㊂表1 L I P S 200离子推力器参数表T a b l e 1 L I P S 200t h r u s t e r p a r a m e t e r sA /m 2A s /m2V d /V V c /V I b /A I d /A B /TT s0.090.0336.015.00.84.25ˑ10-30.742.1 与N E X T 推力器对比根据模型计算出L I P S 200离子推力器放电室内各项能量损耗值及所占比例,并与N E X T 推力器结果进行对比,具体见表2㊂放电室能量损耗机制非常复杂,且无法通过试验直接测出,为验证本文模型计算的准确性,将本文结果与国外文献数据进行对比验证㊂其中L I P S 200与N E X T [11]均为直流离子推力器,放电室均为环形会切磁场,因此,放电室各能量损耗机制相同,放电室各能量所占比例较为接近(随推力器的性能差异而略有不同)㊂表2 L I P S 200和N E X T 放电室能量损耗对比T a b l e 2 C o n t r a s t o f e n e r g y l o s s i nd i s c h a r ge r c h a m b e r b e t w e e nL I P S 200a n dN E X T N o .pa r a m e t e r e n e r g yl o s s /W p r o po r t i o n /%L I P S 200e n e r g yl o s s /W p r o po r t i o n /%N E X T1P k3.22.1 11.52.02P i a 5.63.717.44.03P a68.745.8 207.844.04P L 18.712.4 21.55.05P b 11.07.3 42.79.06P s 14.09.318.64.07P a c 5.31.08P e x i15.39.8 134.428.09P i o n13.18.4 134.428.010P o u t 149.6100 474.110011P i n 151.2 475.0 12ΔP1.60.9 从表2计算结果对比可知:①放电室能量损耗计算方式略有差异㊂文献[11]中将等离子体碰撞过程能量损耗以热辐射形式给出,因此增加了加速栅辐射能量损耗P a c ,而本文模型中等离子体碰撞过程能量损耗为激发能量损耗和电离能量损耗;②各项能量损耗比例较为相近㊂依据本文模型计算结果,除了放电室原初电子能量损耗P L 和屏栅截获离子能量损耗P s 两项差异较大,其余各项能量损耗所占比例均较为接近㊂而这两项能量损耗与推力器本身特性相关,依据电流关系式(4)计算,L I P S 200推力器中放电室原初电子利用率为83%,即17%的原初电子直接轰击到阳极表面,相比而言,N E X T 推力器中原初电子利用率高达92%[11],因此产生差异㊂屏栅截获离子能量损耗与屏栅有效透明度相关,L I P S 200推力器中试验测试屏栅有效透明度为74%[12],而N E X T 推力器为85%[11],因此导致L I P S 200推力器该项能量损耗比例偏高;③放电室总能量损耗验证误差相近㊂放电室总输入功率可以通过试验数据直接计算得到(阳极电压乘以阳极电流),总输出功率为模型中各项能量损耗之和,两者之间的差值可以间接证明模型的准确性,L I P S 200和N E X T 两者相差均小于1%㊂强激光与粒子束龙建飞等:离子推力器放电室能量平衡研究2.2多工况试验验证离子推力器工作过程中,放电室能量损耗机制繁多且复杂,由于试验无法直接测试出各项能量损耗,因此给模型验证带来困难㊂采用热平衡试验间接验证中,加载能量仍然为多项能量损耗的综合效应,如阳极表面能量损耗为入射离子㊁二次电子㊁原初电子及辐射能量的综合效应,很难区分开来㊂本文将采用多工况参数进行动态模型验证,在多组试验参数下将放电室总能量损耗与总输入功率进行对比验证,其中总能量损耗为模型计算各项能量损耗之和,而总输入功率为阳极电流乘以阳极电压㊂离子推力器工作过程中,工作参数与性能参数均是相耦合对应的,每组参数具有唯一性㊂因此,依据函数的映射,若多组参数下模型计算的总能量损耗与试验间接计算总输入功率相近,则可以较好地验证模型的准确性㊂L I P S200离子推力器工作在T S-6试验平台,该平台下离子推力器工作时背景压强为8.0ˑ10-3P a㊂试验过程中通过调节推力器的工作参数,得到与之对应的性能参数㊂参数调节范围涵盖典型工况条件,包括:阳极电流4.0~4.4A,阳极电压为34~38V㊂试验过程中阴极触持电压为自洽变化,测试结果如表3所示㊂表3多工况条件下离子推力器参数表T a b l e3P a r a m e t e r s i nd i f f e r e n t c o n d i t i o n s f o rL I P S200p a r a m e t e r c a s e1c a s e2c a s e3*c a s e4c a s e5V d/V3636363438V c/V1616161715I d/A4.04.34.24.24.2I b/A0.770.820.810.750.84*c o r r e s p o n d i n g t o r a t e d c o n d i t i o n根据本文模型,可以计算出每组参数下的放电室各项能量损耗,进一步求和则可以得到放电室总能量损耗,输入功率通过每组参数中的阳极电压乘以阳极电流直接计算得到㊂将放电室总能量损耗与输入功率进行多工况下比对,充分验证模型的准确性,共选取5种典型工况,具体计算结果如表4所示㊂表4多工况试验验证(*为额定工况)T a b l e4T e s t v a l i d a t i o n i nd i f f e r e n t c o n d i t i o n f o rL I P S200t h r u s t e rp a r a m e t e r c a s e1c a s e2c a s e3*c a s e4c a s e5P k/W3.23.23.23.13.5P i a/W5.45.85.65.25.9P a/W65.470.568.763.772.4P L/W18.219.218.725.215.5P b/W10.811.611.010.511.7P s/W13.514.514.09.315.3P e x i/W15.916.815.315.717.0P i o n/W13.314.013.113.114.1P o u t/W145.7155.6149.6145.8155.4P i n/W144154.8151.2142.8159.6ΔP/W-0.8-1.71.6-3.04.2*c o r r e s p o n d i n g t o r a t e d c o n d i t i o n从表4可以看出:①由工况1到工况2,阳极电流从4.0A升到4.3A,根据模型计算,总输出功率增加了约10.0W,而总输入功率增加为10.8W,模型结果与试验结果较好吻合,在各项能量损耗变化中,二次电子在阳极表面能量损耗增加最大(约5.0W),其余各项能能量损耗均略有增加;②从工况4到工况5中,阳极电压从34V升到38V,总输入功率增加了16.8W,依据模型计算总输出功率增加了约10.0W,模型结果相比试验结果略微偏小,在各项能量损耗变化中,二次电子和原初电子在阳极表面能量损耗变化最大(P a增加8.7 W,P L减小9.7W),其余各项能能量损耗均略有增加;③5种工况下放电室的总能量损耗与总输入功率吻合整体较好,最大误差小于3%㊂进一步验证了本文模型的准确性㊂3结论基于离子推力器放电室零维模型,推导了放电室电流平衡关系,结合放电室电势分布,进一步得到了各项能量损耗表达式,并建立放电室能量损耗模型㊂将模型结果与文献对比分析,放电室各项能量损耗所占比例均074002-5强激光与粒子束有较好一致性,同时采用试验方法对模型中放电室总能量损耗进行多工况条件动态验证,最大误差小于3%,从而确保了模型的准确性㊂文献中模型均是等离子体密度㊁能量等微观参数的函数,本文模型放电室能量损耗是离子推力器结构参数㊁工作参数及性能参数的相关函数,相比而言,本文模型具有更好的普适性㊂参考文献:[1]张天平.国外离子和霍尔电推进技术最新进展[J].真空与低温,2006,12(4):187-190.(Z h a n g T i a n p i n g.R e c e n t i n t e r n a t i o n a l p r o g r e s s i ni o na n dH a l l e l e c t r i c p r o p u l s i o n s.V a c c u u ma n dC r y o g e n i c s,2006,12(4):187-193)[2]孙明明,张天平,陈娟娟,等.L I P S-200离子推力器热特性模拟分析研究[J].强激光与粒子束,2014,26:084002.(S u nM i n g m i n g,Z h a n gT i a n p i n g,C h e nJ u a n j u a n,e t a l.T h e r m a l a n a l y s i s o fL I P S-200i o n t h r u s t e r.H i g hP o w e rL a s e r a n dP a r t i c l eB e a m s,2014,26:084002)[3] B r o p h y J,W i l b u rP.S i m p l e p e r f o r m a n c em o d e l f o r r i n g a n d l i n e c u s p i o n t h r u s t e r 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e r e l a t i o no f c u r r e n t sb a l a n c e i nd i s c h a r g ec h a m b e rw a sa n a-l y z e d,c o m b i n e d w i t ht h e p o t e n t i a ld i s t r i b u t i o n,t h e m o d e lo fe n e r g y l o s si nd i s c h a r g ec h a m b e r w a se s t a b l i s h e d.U s i n g t h e L I P S200t h r u s t e r a s t h e o b j e c t o f c a l c u l a t i o n,t h e r e s p e c t i v e d i s t r i b u t i o n r a t i o o f v a r i o u s e n e r g y l o s s i n t h e d i s c h a r g e c h a m b e rw a s o b t a i n e d,a n d t h e r e s u l t s b e t w e e n t h em o d e l c a l c u l a t e d a n d l i t e r a t u r ew e r e c o n t r a s t e d;F u r t h e r v a l i d a t i o nw a s c a r r i e d o u t b y t e s t i n m o r e c o n d i t i o n s(c o r r e s p o n d i n g a n o d e c u r r e n t i s4.0-4.4A,a n o d e v o l t a g e i s34-38V),a n d t h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h em a x i m u m e r r o r i sn om o r e t h a n3%.K e y w o r d s:i o n t h r u s t e r;d i s c h a r g e c h a m b e r;e n e r g y l o s s;e n e r g y b a l a n c eP A C S:81.70.P g;51.20.+d;52.50.-b074002-6。

小功率ECR离子推力器技术研究发展现状柯于俊;陈学康;孙新锋;田立成【摘要】相比Kaufmann离子推力器,ECR(Electron Cyclotron Resonance)离子推力器具有无电极腐蚀、无污染、放电气压低、等离子体密度高、能量转换效率高、中和器和放电室能快速起弧等优点.ECR离子推力器因独特的技术优势而使其在微小功率电推进领域受到国内外的广泛研究.国外(主要是日本)小功率ECR离子推力器口径从1~10 cm都取得了小行星探测采样返回的突出成果,国内没有针对应用需求的产品开发研制计划,偏重基础研究,性能也有很大差距,无论是技术还是产品距离微小卫星应用需求还存在很大差距.建议研究的主要方向是磁场位形、变孔栅和碳-碳复合材料栅极.%Comparing with Kaufmann ion thrusters,ECR(Electron Cyclotron Resonance)ion thrusters have neither electrode erosion nor pollution,as well as low discharge pressure,high plasma density,and high energy transfer efficiency. ECR ion thruster has drawn much attention inlow power electric propulsion. Foreign countries(mainly Japan)have great progress in low power ECR ion thrusters in diameter from 1 cm to 10cm,and got amazing achievement,such as getting samples back from a asteroid. However,chinese ECR ion thrusters are still some labmodels,whose performance and engi-neering mature level are lower than foreign ones. It is advised that more research focus on magnetic field topology,grids with variable-holes in carbon-carbon composite material.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2017(023)004【总页数】6页(P187-192)【关键词】小功率;ECR离子推力器;空间推进【作者】柯于俊;陈学康;孙新锋;田立成【作者单位】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;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;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;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【正文语种】中文【中图分类】V439+.1相比传统的Kaufmann离子推力器，ECR离子推力器放电室采用微波电子回旋共振的方式产生等离子体，优点是无内电极放电、无污染、长寿命、等离子体密度高（1017～1019m-3）、能量转换效率高、微波吸收率高（≥95%）、中和器和放电室能快速起弧、电源系统简单等，虽然ECR离子推力器也有缺点，比如微波电源效率不如直流电源，ECR需要高出Kaufman离子推力器数十倍的静磁场，但是总体上ECR离子推力器研究具有广阔的应用前景[1-2]。

LIPS-300离子推力器放电室设计及实验研究王亮;张天平;江豪成;陈娟娟;王小永【摘要】梳理了放电室工程化设计的基本流程，包括磁场位形设计、几何构型设计、磁极数设计、供气方式设计以及关键参数设计，其中关键参数又包括长径比、磁极位置、磁钢尺寸、阴极位置等。

按照上述流程，完成了LIPS-300放电室设计，并通过仿真分析、实验数据对设计的结果进行了验证，证明设计的柱形磁铁四级场、直锥双段放电室，无论放电损耗、束流平直度均优于三级场放电室。

%The essential design procedure about discharge chamber are presented in this paper,it includes magnetic field,geometric texture,the number of magnetic poles,neutral atoms distribution method and the key parameters. It is di-vided into length diameter ratio,poles position,magnet size,cathode position. Design and development of discharge cham-ber of LIPS-300 ion thruster was completed following the procedure noted above. At last,the performance of the discharge chamber is analyzed and tested by simulated analysis and actual experimental data. The ultimate result is the discharge loss and beam flatness of four ring-cusp magnetic fields isbetter than those of three rings.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2016(022)006【总页数】6页(P344-349)【关键词】离子推力器;放电室;设计与实验【作者】王亮;张天平;江豪成;陈娟娟;王小永【作者单位】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;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;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;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;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【正文语种】中文【中图分类】V439放电室是离子推力器维持放电并产生等离子体的区域，其设计原则是提高放电效率和栅极出口等离子体分布的均匀性[1]。

中国空间科学技术O c t ２５㊀２０１８㊀V o l ３８㊀N o ５㊀４６Ｇ５４C h i n e s eS p a c eS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yI S S N １０００Ｇ７５８X ㊀C N １１Ｇ１８５９/Vh t t p :ʊz g k jc a s t c n D O I :１０ １６７０８/jc n k i １０００Ｇ７５８X ２０１８ ００５６磁拓扑结构对环型离子推力器放电性能的影响陈娟娟∗,张天平,刘明正,王彦龙,杨浩,李兴达,杨乐兰州空间技术物理研究所真空低温技术与物理重点实验室,兰州７３００００摘㊀要:为得到环型离子推力器最佳磁拓扑结构以有效提高推力器放电效率㊁降低放电损耗,对不同类型磁拓扑结构下的放电通道气体放电过程进行研究.采用P I C ＧM C C 数值计算方法对等离子体产生及运输过程进行数值模拟,分析磁场分布对等离子体密度分布㊁电子损耗率及放电稳定性的影响,结合统计结果,得到推力器放电性能曲线,最后进行试验验证.研究结果表明,相较多极场结构,环尖场磁构型能更好地约束电子运动,大幅降低其在阳极壁面损耗率,增加电子与中性原子碰撞概率,显著提高放电效率㊁降低放电损耗.关键词:环型离子推力器;磁结构;P I C /M C C中图分类号:V ４３９＋ １;V ４３９＋ ４㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A收稿日期:２０１８Ｇ０３Ｇ１８;修回日期:２０１８Ｇ０６Ｇ０１;录用日期:２０１８Ｇ０８Ｇ２９;网络出版时间:２０１８Ｇ０９Ｇ２０㊀２２:５５:３６网络出版地址:h t t p :ʊk n s c n k i n e t /k c m s /d e t a i l /１１ １８５９ V ２０１８０９２０．１６２４．００６．h t m l 基金项目:国家自然科学基金(６１６０１２１０)∗通讯作者:陈娟娟(１９８３Ｇ),女,博士,高级工程师,c h e n j j g o n t p＠１２６ c o m ,研究方向为空间电推进技术引用格式:陈娟娟,张天平,刘明正,等．磁拓扑结构对环型离子推力器放电性能的影响[J ]．中国空间科学技术,２０１８,３８(５):４６Ｇ５４．C H E N JJ ,Z HA N GTP ,L I U M Z ,e t a l ．T h e e f f e c t o f m a g n e t i c t o p o l o g i c a l s t r u c t u r e o n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e a n n u l a r Ｇe n gi n e ,２０１８,３８(５):４６Ｇ５４(i nC h i n e s e )．T h ee f f e c t o fm a g n e t i c t o p o l o g i c a l s t r u c t u r eo n t h e p e r f o r m a n c eo f t h ea n n u l a r Ｇe n gi n e C H E NJ u a n j u a n ∗,Z H A N GT i a n p i n g ,L I U M i n g z h e n g ,WA N GY a n l o n g ,Y A N GH a o ,L I X i n gd a ,Y A N GL eS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y o nV a c u u m T e c h n o l o g y a n dP h y s i c sL a b o r a t o r y ,L a n z h o u I n s t i t u t eo f P h ys i c s ,L a n z h o u７３００００A b s t r a c t :T oo b t a i n t h em o s t a p p r o p r i a t em a g n e t i c t o p o l o g i c a l s t r u c t u r e t o i m p r o v e t h ed i s c h a r ge ef f i c i e n c y a n dr e d u c et h ed i s c h a rg e l o s so f th ea n n u l a r Ｇe n gi n e ,t h i s p a pe rs t u d i e dt h eef f e c to f d i f f e r e n t t y p e s o fm ag n e t i c s t r u c t u r e o n th e di s c h a r g e p r o c e s s o f t h e a n n u l a r d i s c h a r g e c h a n n e l ．B ya p p l y i n g t h eP I C /M C Cm e t h o d t o s i m u l a t e t h e g e n e r a t i o n a n d t r a n s p o r t pr o c e s s o f t h e p l a s m a ,t h i s p a p e r a n a l y z e d t h e i n f l u e n c eo fm a gn e t i c f i e l dd i s t r i b u t i o no n t h ed i s t r i b u t i o no f p l a s m a ,t h e l o s s r a t e a n d t h e d i s c h a r g e s t a b i l i t y ．A c c o r d i n g t o t h e s t a t i s t i c a l r e s u l t s ,t h e d i s c h a r ge p e rf o r m a n c e c u r v e o f t h e a n n u l a r Ｇe ng i n ew a so b t a i n e da n dv a l i d a t e db y th ee x pe r i m e n t a l r e s u l t s ．T h e r e s u l t ss h o wt h a t t h e r i n g Ｇc u s p m a g n e t i c r ef i n e s t h em o t i o no f t h e p r i m a r y e l e c t r o n sb e t t e r t h a n t h em u l i Ｇpo l e f i e l d ,i t陈娟娟,等:磁拓扑结构对环型离子推力器放电性能的影响４７㊀c a n r e d u c e t h e l o s s r a t es i g n i f i c a n t l y,i n c r e a s e t h e p r o b a b i l i t y o f t h ec o l l i s i o nb e t w e e ne l e c t r o n sa n d n e u t r a l a t o m s,i m p r o v e t h ed i s c h a r g e e f f i c i e n c y a n dd e c r e a s e t h ed i s c h a r g e l o s s．K e y w o r d s:a n n u l a rＧe n g i n e,m a g n e t i c f i e l d,P I C/M C C离子推力器作为一种先进空间技术,其先进性突出体现在高比冲㊁高效率㊁长寿命㊁推力和比冲调节容易实现等方面.航天器采用离子推力器可显著增加卫星有效载荷质量㊁延长卫星工作寿命㊁降低卫星发射成本等[１].但受限于栅极组件引出能力,目前工程上实现的离子推力器最高功率仅为５０k W,极大限制了其空间应用范围.２０１２年美国N A S A格林研究中心首次提出环型离子推力器[２Ｇ３]概念,不同于传统离子推力器,该推力器放电通道和栅极组件呈环状结构,通道面积的增加可有效增大推力器放电电流㊁提高等离子体分布均匀性,而环状栅极可极大减小传统栅极几何尺寸,解决大尺寸栅极热稳定性问题,同时该栅极还能减小束流发散角.国外已研制了环型离子推力器原理样机,并完成了推力器点火试验测试和等离子体特征参数测量.国内兰州空间技术物理研究所于２０１５年首次开展５k W级环型离子推力器原理样机研制,其推力器性能参数为:推力１５０m N;比冲５０００s.作为一种全新结构离子推力器产品,到目前为止还未形成一套其完整的推力器设计准则.为了节约产品研制成本,加快研制进度,兰州空间技术物理研究所在环型离子推力器物理方案设计中首次采用数值计算方法.对离子推力器而言,通常提高放电效率的方法有两种[４]:１)优化磁场分布以尽可能地约束电子运动,延长电子在放电室内停留时间,提高电子和中性原子之间碰撞概率,最大化电离率;２)缩小阳极对电子吸收面积来减小放电损耗以提高放电效率.后者虽然阳极面积减小能更加有效约束电子运动行为,但它却仅仅改变了相对阳极势的等离子体势而并没有改变由于离化或激发所产生的能量损耗率.值得注意的是,阳极面积不能过小,因为当阳极面积非常小时,等离子体势相对阳极势为负值,此时磁尖端处的阳极面积不足以收集所有放电电流,致使放电被打断或变得不稳定.因此,为了保证放电稳定必须要保证阳极面积和等离子体势不能超过其最小值.对一种特定结构下的离子推力器,通常通过优化放电通道内的磁场分布来提高放电效率.为得到５k W级环型离子推力器最佳磁拓扑结构,选取传统型离子推力器环尖场[４]和已成功应用于高效率多阶段等离子体推力器(H i g hＧe f f i c i e n c y m u l t i s t a g e p l a s m a t h r u s t e r)的多极场[５Ｇ６]作为环型离子推力器磁场的设计输入条件,利用仿真计算手段分析两种不同磁结构下的等离子体运动特性和放电特性.国外已针对离子推力器开展过磁位型及磁场强度优化研究.M a t o s s i a n等人建立了离子推力器放电室理论分析模型,研究磁感应强度对放电损耗的影响[７].S a n d o n a t o等人利用该模型研究了磁感应强度对原初电子运动特性的影响[８Ｇ９].O g u n j o b i等人采用MA XW E L L２D和P R I MA数值计算方法分析了不同磁位型及磁感应强度下的原初电子受约束程度和运动特性[１０Ｇ１３].W i r z等人建立了二维数值仿真模型,采用混合模拟方法研究了环尖场结构下不同磁位型对等离子体分布特性㊁放电室性能和束流分布的影响[１２Ｇ１４].M e n a r t等人试验测量了３环㊁４环磁结构下的离子饱和电流,分析了两种磁结构对推力器性能的影响[１５].以上研究均只考虑了环尖场结构的下离子推力器放电性能,并未考虑磁位型及磁感应强度对放电稳定性的影响.本文针对５k W级环型离子推力器,创新性地提出多极场磁构型,通过建立环型放电通道数值计算模型,采用P a r t i c l eＧi nＧC e l l(P I C)ＧM o n t eC a r l oC o l l i s i o n(M C C)数值计算方法模拟环尖场和多极场两种磁构型下的气体放电过程,分析其放电特性和放电稳定性,确定最佳磁结构,完成推力器磁体组件设计,并开展试验验证.１㊀数值模型１ １㊀仿真区域仿真区域示意如图１所示.４８㊀中国空间科学技术O c t ２５㊀２０１８㊀V o l ３８㊀N o５图１㊀磁场构型F i g １㊀T h e s t r u c t u r e o f t h em a gn e t i c f i e l d 计算区域具参数如图２所示.图２㊀计算区域示意F i g ２㊀S c h e m a t i c d i a gr a mo f t h e c a l c u l a t i o na r e a 考虑到环型离子推力器环型放电通道的轴对称性,选取其一半作为仿真区域,其中:z 为轴向位置,r 为径向位置,Z m a x 和R m a x 分别为计算区域轴向㊁径向最大值,r １和r ２分别为推力器内㊁外环半径,z c ㊁d c 分别为空心阴极长度和直径,z g ㊁h g 分别为磁体宽度和高度,l g 为两磁体之间间距.计算区域左下角定义为坐标原点;左边界㊁上边界和下边界均为阳极边界,其电势为阳极电压V a ;右边界为屏栅极表面,其电势为屏栅电压V s ;与等离子体接触的空心阴极表面假设为一等势体,其电势为触持极电压V c .将计算区域划分成N ˑN 个正交网格,为保证计算结果的有效性和准确性,每个网格尺寸必须小于德拜长度:λD ＝ε０k B T e n e e２(１)计算时间步长小于等离子体振荡频率的倒数.等离子体振荡频率表达式为:ωp ＝４πn e e２m e(２)式中:ε０为真空介电常数;k B 为玻尔兹曼常数;T e 为电子温度;n e 为电子密度;m e 为电子质量.放电通道内质量较小的电子在电场加速作用下速度快速增加,而质量大的离子几乎不受磁场的约束,在电场作用下沿磁力线做慢加速运动.要在同一个计算区域同时模拟电子和离子,这在技术上是非常大的挑战.在此,本文采用增大真空介电常数[１３]和减小离子质量[１３]相结合的方法,通过改变离子德拜长度和等离子体振荡频率,人为的增大网格大小㊁减小离子时间步长,从而实现在同一时空下对电子和离子运动行为的同时跟踪,并实现计算的可收敛性.本文所取的空间步长为１ ０ˑ１０－３m 和９ ０ˑ１０－９s .１ ２㊀P I C ＧM C C 模型针对低温气体放电过程,本文采用常用于低温等离子体数值模拟的一种方法P I C 来求解电磁场分布和描述带电粒子运动,粒子间碰撞则采用M C C 数值计算方法,本模型中的碰撞主要考虑电子和中性原子之间的弹性㊁激发和电离碰撞,电子和一价氙离子之间的电离和再结合反应.P I C 模型中,二维轴对称坐标系下的麦克斯韦方程可简化为:ƏƏr １r μƏ(r A θ)Ər æèçöø÷＋ƏƏz １μƏA θƏz æèçöø÷＝ƏH c r Əz －ƏH c zƏr (３)式中:A θ为磁势;μ为磁导率;H c z ㊁H c r 分别为轴向㊁径向矫顽力.由于磁场分布的特殊性,使其在计算时求解区域将远远大于图２所示计算区域.电势分布由泊松方程求解得到:Ə２ϕƏr ２＋１r ƏϕƏr ＋Ə２ϕƏz ２＝－e ε０(n i －n e )(４)式中:e 为电子电量;ε０为真空介电常数;n i 和n e 分别所示为离子㊁电子密度.式(４)右端为０时,泊松方程退化为拉普拉斯方程,此时求解得到的电势为静电势ϕs t a t i c .当放电室内存在等离子体时,式(２)计算得到的电势为运动等离子体产生的自洽电势ϕd y n a m i c ,其值相比几千伏的静电势来说很小,因此,可将放电室内静电势和自洽电势分别进行求解.放电室内总电势表达式为:陈娟娟,等:磁拓扑结构对环型离子推力器放电性能的影响４９㊀ϕ＝ϕst a t i c ＋ϕd y n a m i c (５)进一步计算出电场:E ＝－Ñϕ(６)带电粒子运动方程满足牛顿第二定律:d d t m d x d t æèçöø÷＝q (E ＋v ˑB )(７)式中:m 为带电粒子质量;x ㊁v 分别为粒子所在位置和速度;E 和B 分别为粒子所在位置处的电场强度和磁感应强度.１ ３㊀初始条件每个时间步长空心阴极向计算区域内发射一定量原初电子,同时在计算区域右边界有一定数量离子和中性原子离开,具体离开的个数与屏栅极离子㊁原子透明度有关.每个时间步长,当右边界离开的离子数与阴极发射原初电子个数和返回阴极被其所吸收的离子数之和等于阳极吸收电子数时,认为系统气体放电达到平衡.每个时间步长阴极发射的原初电子个数与空心阴极发射电流I e 有关:N p ＝I e ˑΔt e πV(８)式中:V 为空心阴极体积.本模型中初始时刻进入计算区域的原初电子位置采用直接抽样方法[１６]得到.原初电子轴向㊁径向位置分别表示为:z ＝z ０＋(z m a x －z ０)R １r ＝r ０＋(r m a x －r ０)R １}(９)式中:R １为０~１之间的随机数.原初电子初始速度服从麦克斯韦正态分布,其表达式为:f v ()＝k b T m æèçöø÷３/２e x p v ２i k b T m æèçççöø÷÷÷(１０)式中:k b 为玻尔兹曼常数,T ㊁m 分别为原初电子温度和质量,v i 为原初电子速度.原初电子在轴向㊁径向和方位角方向的速度大小分别为:v z ＝v t h s i n ψs i n φv r ＝v t h c o s ψs i n φv θ＝v t h c o s φ(１１)式中:v t h 为原初电子总速度大小;ψ＝２πR １为z ㊁r 平面内速度矢量与z 轴方向的夹角;c o s φ＝１－R ２为速度矢量与方位角方向的夹角;R １㊁R ２均为随机数.１ ４㊀边界条件本模型中利用P I C 方法跟踪的带电粒子包括原初电子㊁二次电子㊁一价氙离子和二价氙离子.对电子而言,计算区域阳极边界为吸收边界,屏栅极边界为反射边界.一价离子和二价离子在阳极处的边界条件不同,二价离子阳极边界为吸收边界,一价离子则和阳极附近电子发生再结合反应变为中性原子或发生二次电离反应.是否发生二次电离反应可根据阳极壁面的二次电子发射系数来确定.屏栅极边界处大部分离子将通过屏栅极孔从计算区域中泄漏出去,少量离子直接轰击到屏栅极表面被其吸收,仿真过程中,计算机随机产生一个随机数,当该随机数小于屏栅极离子透明度时,表示离子通过屏栅极孔进入栅极组件,反之则认为被吸收.泄露出去或被吸收的离子计算机均做删除处理.２㊀计算结果分析假定推力器几何结构尺寸㊁工作电气参数㊁磁体个数及磁体几何尺寸完全相同,具体参数值见表１㊁表２所示.仿真计算收敛条件为电场变化小于０ １０％.表１㊀几何结构尺寸T a b l e１㊀G e o m e t r i c p a r a m e t e r s Z m a x/mm R m a x/mm r １/mm r ２/mm z c /mm d c /mm z g /mm h g /mm l g/mm ２００１８０９２１８０１０５２０２１０表２㊀工作电气参数T a b l e２㊀O p e r a t i n gpa r a m e t e r s Ib /A V a /V Vc /V V s /V４ ６－４００１０１０００表２中I b 为推力器能够引出的最大束流.图３所示为环尖场和多极场磁构型下的磁场分布.５０㊀中国空间科学技术O c t ２５㊀２０１８㊀V o l ３８㊀N o５图３㊀磁场分布F i g ３㊀M a gn e t i c f i e l d 计算结果显示,两种磁构型下,放电通道内绝大部分区域磁场分布趋势基本一致,尤其在上下阳极边界处除了由于磁体位置不同引起的磁力线分布有差异外,其分布趋势几乎完全相同.放电通道中心区域无磁场区大小相当.最靠近通道中心的闭合磁等势线值均为１０－３T .磁场分布区别较大的区域位于计算区域左边界㊁空心阴极附近和屏栅极边界.左边界处,环尖场情况相比多极场其磁力线分布更密集,除空心阴极位置处外,磁力线几乎布满整个左边界,磁感应强度变化范围约为６ˑ１０－４~２ˑ１０－２T .而多极场情况下左边界仅有一小部分区域存在磁力线,且磁感应强度变化范围仅为０~６ˑ１０－４T .空心阴极附近,环尖场情况下磁力线相较多极场情况分布更密集,相应磁感应强度较大.屏栅极边界处,环尖场情况下无磁场区或磁感应强度较小的分布区域较多极场情况稍大.图４所示为放电通道轴对称处磁感应强度随轴向坐标的变化曲线及屏栅极附近磁感应强度随径向坐标的变化曲线.图４㊀磁场强度随坐标的变化关系F i g ４㊀M a g n e t i c f i e l d s t r e n gt h 图４仿真计算结果进一步印证了图３所示仿真结果.图４(a )计算结果显示,在放电通道中心轴向方向,多极场情况下磁感应强度变化幅度很小,变化趋势基本一致,仅在屏栅极附近磁感应强度突然增大,但增大幅度仅为６ ２ˑ１０－４T .根据磁感应强度与电子原子之间碰撞概率之间的关系[４]可知,此时对应碰撞概率仅为０ ０４７,该碰撞概率几乎不会影响放电效率.环尖场情况下,从计算区域左边界到空心阴极出口距离３mm 范围内,磁感应强度发生突降,由原来的２ ５８ˑ１０－４T 降至８ ９ˑ１０－４T .在其他位置除屏栅极边界处和多极场情况变化趋势相同.图４(b )计算结果显示,在屏栅极附近两种磁构型下磁感应强度随径向位置的变化趋势基本一致.图５所示为两种磁构型下气体放电过程中被阳极表面吸收的原初电子个数随时间步长的变化曲线.图５计算结果显示,随气体放电的进行被阳极吸收的原初电子个数逐渐增大.放电初期,环尖场情况下被吸收的原初电子个数远小于多极陈娟娟,等:磁拓扑结构对环型离子推力器放电性能的影响５１㊀场情况,之后这种差异逐渐减小,在气体放电达到稳态时该差异达到最小.对比每个步长进入的原初电子个数和图５统计结果可知,多极场情况下放电初期原初电子损耗率高达８６ ９６％,环尖场情况下的损耗率为４３ １２％.分析认为这是因为放电初期空心阴极发射的能量较低原初电子进入计算区域后沿着磁力线向阳极壁面做加速螺旋运动过程中,在环尖场阴极附近和阳极表面磁场的作用下受到磁镜效应影响做往复运动,而多极场情况由于左边界磁场分布稀疏㊁磁场强度较小,导致原初电子直接吸收.图５㊀被阳极表面吸收的原初电子个数F i g ５㊀N u m b e r s o f p r i m a r y e l e c t r o n s a b s o r b e db yt h e a n o d e s u r f a c e图６所示分别为环尖场和多极场结构下,气体放电达到稳定时上阳极边界处鞘层电势降随轴向坐标的变化曲线.图６㊀鞘层电势随轴向坐标的变化F i g６㊀T h e v a r i a t i o no f t h e s h e a t h p o t e n t i a l 结果显示,两种磁构型下鞘层电势降随轴向坐标的变化趋势相同,且其值相差不大.在整个计算区域内两种情况下的鞘层电势降均为正值,这就意味着阳极壁面双极性扩散运动形成的鞘层可以加速离子㊁而减小电子速度,以保证鞘层内的等离子体准中性特性,阳极壁面能够正常吸收电子以维持稳定放电[１３].相比多极场情况,环尖场情况下运动等离子体产生的鞘层电势降稍大,分析认为放电通道内的等离子体鞘层电势降与推力器几何结构参数㊁工作电气参数等有关[４],当其他参数一定时阳极壁吸收电子个数越少即阳极电流越小,鞘层电势降越大.计算区域最右侧鞘层电势降从几十伏下降至零伏,这是在靠近屏栅区域的鞘层电势变化趋势,进一步印证了离子推力器放电通道内鞘层电势大于壁面电势.图７所示为推力器气体放电达到稳定时放电通道内部氙离子数密度分布.离子数密度单位为m －３.图７㊀氙离子数密度分布F i g ７㊀N u m b e r d e n s i t y di s t r i b u t i o no f t h eX e n o n i o n s 根据式(８),每个时间步长进入放电通道内的原初电子个数２８７５及图５统计得到的结果,可知放电初期多极场和环尖场工况下的电子损耗率分别为２５００和１２４０.因此,多极场情况下放电初期原初电子损耗率高达８６．９６％,环尖场情况下的损耗率为４３．１２％.结果显示,在相同几何结构尺寸㊁工作电气参数㊁磁体几何尺寸及中性原子分布情况下,环５２㊀中国空间科学技术O c t ２５㊀２０１８㊀V o l ３８㊀N o ５尖场结构放电通道内部氙离子布满整个空间且分布很均匀,尤其在屏栅极附近氙离子分布非常均匀,极大提高了推力器放电效率和工作寿命[４].以上仿真分析认为环尖场是最适用于５k W环型离子推力器的磁场构型.３㊀试验验证为了验证计算结果的正确性,对５k W 级环型离子推力器原理样机开展了点火试验测试和性能试验测试.该试验在兰州空间技术物理研究所T S Ｇ６平台上进行,根据推力器的机械接口及气电接口对推力器和试验测试设备进行了对接.试验连接以及测试细则见参考文献[２０].试验中分别测试触持极电压及电流㊁阳极电压及电流㊁屏栅极电流㊁阳极工质流率等.图８所示为５k W 级环型离子推力器原理样机示意图㊁点火照片.图８㊀试验测试结果F i g ８㊀E x pe r i m e n t a l r e s u l t s 结果显示推力器能正常工作,验证了磁场选择的正确性.为了更进一步验证仿真计算结果的正确性,试验测量了推力器工作参数,计算得到了放电性能曲线,如图９所示.该结果为在原推力器几何结构及磁体结构基础上,不断改变磁铁电流后试验测量到的结果.试验结果显示,随着通道内工质利用率的增大,放电损耗逐渐增大,当工质利用率增大到某一点时,放电损耗突然急剧增大,这与传统型离子推力器性能变化曲线完全相同[４].曲线最佳拐点为,工质利用率为８９％,对应放电损耗为２７５W /A .该值高于传统离子推力器放电损耗,这是环型离子推力器阳极面积增大提高了电子损耗率所致.图９㊀性能曲线F i g９㊀P e r f o r m a n c e c u r v e 图１０所示为试验测量到的放电损耗与仿真计算得到的结果对比示意图.图１０㊀仿真结果与试验结果对比F i g １０㊀C o m pa r i s o no f t h e s i m u l a t i o na n d e x pe r i m e n t a l r e s u l t s 从图中可以看出,两者具有相同的变化趋势.进一步对比显示,数值计算结果均大于试验测试值.针对该差异,分析认为,本文建立的仿真计算模型在处理阳极表面二次电子运动时假设电子能量较低,不会与附近氙离子发生再结合反应或二次离化反应,二次电子在碰到阳极边界后会直接被阳极吸收,导致仿真计算结果中通道得到的放电电流较实际增大,在放电电压和引出束流不变的情况下,放电电流陈娟娟,等:磁拓扑结构对环型离子推力器放电性能的影响５３㊀越大,放电损耗越高,因此计算结果整体偏高.同时忽略了放电通道内原子与原子之间的碰撞及原子分布特性对气体放电过程的影响.针对以上因素,后续将根据试验测试结果进一步完善仿真计算模型.４㊀结论本文采用P I C/M C C数值仿真方法对新型环型离子推力器放电通道内部两种不同磁构型,即环尖场和多极场情况下的气体放电过程进行了数值仿真,分别得到了通道内部磁场分布㊁鞘层电势降分布㊁氙离子数密度分布,并统计得到了原初电子损耗率,得到如下结论:１)磁体几何结构尺寸一致的情况下,推力器放电通道内部绝大部分区域包括上下阳极附近磁场分布趋势基本一致.屏栅极附近磁场分布及磁感应强度几乎不会影响放电性能.２)除空心阴极所在位置,环尖场结构下磁力线布满整个计算区域左边界,磁感应强度变化范围约为６ˑ１０－４~２ˑ１０－２T.而多极场情况下左边界则仅有一部分区域存在磁力线,且磁感应强度变化范围仅为０~６ˑ１０－４T.３)相比环尖场情况下放电初期的原初电子损耗概率,多极场情况下其损耗率高达８６ ９６％.环尖场情况下氙离子电离度高且分布均匀.４)两种磁场构型下,推力器均能正常稳定工作.５)数值计算结果与试验测量结果具有相同的变化趋势,即随着通道内工质利用率的增大放电损耗逐渐增大,当工质利用率增大到某一点时,放电损耗突然急剧增大.参考文献(R e f e r e n c e s)[１]㊀张天平．国外离子和霍尔电推进技术最新进展[J]．真空与低温,２００６,１２(４):１８７Ｇ１９３．Z H A N G TP．R e c e n t i n t e r n a t i o n a l p r o g r e s s i n i o n a n d h a l le l e c t r i c p r o p u l s i o n s[J]．V a c u u m&C r y o g e m i c s,２００６,１２(４):１８７Ｇ１９３(i nC h i n e s e)．[２]㊀P A T T E R S O N M J．N e x tＧg e n e r a t i o ne l e c t r i c p r o p u l s i o n t h r u s t e r s[C]．４７t h A I A A/A S M E/S A E/A S E E J o i n tP r o p u l s i o n C o n f e r e n c e&E x h i b i t．S a n D i e g o:A I A A,２０１１:５８１２．[３]㊀P A T T E R S O N MJ,H E RMA N D,S HA S T R Y R,e t a l．A n n u l a rＧg e o m e t r y i o n e n g i n e:c o n c e p t,d e v e l o p m e n ts t a t u s,a n d p r e l i m i n a r y p e r f o r m a n c e[C]．４８t h A I A A/A S M E/S A E/A S E E J o i n t P r o p u l s i o n C o n f e r e n c e&E x h i b i t．A t l a n t a:A I A A,２０１２:３７９８．[４]㊀G O E B E LD M,K A T ZI．F u n d a m e n t a l s o f e l e c t r i c p r o p u l s i o n:i o na n dh a l lt h r u s t e r s[M]．P a s a d e n a:C a l i f o r n i aI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,２００８:２４３Ｇ３１５．[５]㊀K O R N F E L DG,N O C H N,H A R MA N N H．P h y s i c s a n de v o l u t i o n of H E M PＧt h r u s t e r s[C]．３０t h I n t e r n a t i o n a lE l e c t r i cP r o p u l s i o n C o n f e r e n c e．F l o r e n c e:I E P C,２００７:１０８．[６]㊀K E L L E R A,K O H L E RP,H E Y H G．P a r a m e t r i c s t u d y o fH E M PＧt h r u s t e rd o w n s c a l i n g t oμNt h r u s t l e v e l s[J]．I E E ET r a n s a c t i o n s o nP l a s m aS c i e n c e,２０１５,４３(１):４５Ｇ５３．[７]㊀S A N 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n e m e n t[C]．４２n d A I A A/A S M E/S A E/A S E EJ o i n t P r o p u l s i o nC o n f e r e n c e&E x h i b i t．S a c r a m e n t o:A I A A,２００６:４４８９．[１１]㊀M A H A L I N G A M S,M E N A R T J A．P r i m a r y e l e c t r o n m o d e l i n g i n t h e d i s c h a r g e c h a m b e r o f a n i o n e n g i n e[C]．３８t hA I A A/A S M E/S A E/A S E EJ o i n tP r o p u l s i o nC o n f e r e n c e&E x h i b i t．I n d i a n a p o l i s:A I A A,２００２:４２６２．[１２]㊀A R A K A W A Y,Y A M A D A T．M o n t ec a r l os i m u l a t i o no f p r i m a r y e l e c t r o n m o t i o n s i nc u s p e dd i s c h a r g ec h a m b e r s[C]．２１s t A I A A/D G L R/J S A S SI n t e r n a t i o n a lE l e c t r i c P r o p u l s i o nC o n f e r e n c e．O r l a n d o:A I A A,１９９０:２６５４．[１３]㊀MA H A L I N G AM S,M E N A R TJ．P a r t i c l e b a s e d p l a s m a s i m u l a t i o nf o ra ni o n e n g i n e d i s c h a r g e c h a m b e r[D]．D a y t o n:W r i g h t S t a t eU n i v e r s i t y,２００２:４５４３５．[１４]㊀W I R ZRa n dK A T ZI．P l a s m a p r o c e s s e s o f d c i o n t h r u s t e rd i s c h a r g ec h a m be r s[C]．４１s t A I A A/A S M E/S A E/A S E EJ o i n tP r o p u l s i o n C o n f e r e n c e&E x h i b i t．T u c s o n:A I A A,２００５:３６９０．[１５]㊀W I R ZR,G O E B E LD．I o n t h r u s t e rd i s c h a r g e p e r f o rＧm a n c e p e r m a g n e t i cf i e l dt o p o g r a p h y[C]．４２n d A I A A/A S M E/S A E/A S E E J o i n t P r o p u l s i o n C o n f e r e n c e&E x h i b i t．５４㊀中国空间科学技术O c t ２５㊀２０１８㊀V o l ３８㊀N o ５S a c r a m e n t o:A I A A,２００６:４４８７．[１６]㊀S A N G H E R A AS,D E T U R R I SDJ．P e r f o r m a n c e c h a r a c t eＧr i z a t i o n o f a１５Ｇc m i o n t h r u s t e r w i t h s i m u l a t e d b e a me x t r a c t i o n[C]．４３r d A I A A/A S M E/S A E/A S E E J o i n tP r o p u l s i o nC o n f e r e n c e&E x h i b i t．C i n c i n n a t i:A I A A,２００７:５２１９．[１７]㊀M E N A R TJA,P A T T E R S O N MJ．M a g n e t i c c i r c u i t f o re n h a n c e dd i s c h a r g e c h a m b e r p e rf o r m a n c eo f as m a l l i o nt h r u s t e r[C]．３４t h A I A A/A S M E/S A E/A S E E J o i n tP r o p u l s i o n C o n f e r e n c e&E x h i b i t．C l e v e l a n d:A I A A,１９９８:３３４３．[１８]㊀S Z A B OJ J．F u l l y k i n e t i cn u m e r i c a lm o d e l i n g o f a p l a s m a t h r u s t e r[D]．M a s s a c h u s e t t s:I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,２００１．[１９]㊀邵福球．等离子体粒子模拟[M]．北京:科学出版社,２００２:１０Ｇ１３０．S HA O F Q．P l a s m a p a r t i c l es i m u l a t i o n[M]．B e i j i n g:S c i e n c eP r e s s,２００２:１０Ｇ１３０(i nC h i n e s e)．[２０]㊀王彦龙,杨浩,李兴达,等．５k W环型离子推力器试验研究[J]．深空探测学报,２０１７,４(３):２３２Ｇ２３７．W A N G YL,Y A N G H,L IX D,e ta l．R e s e a r c ho nt h ee x p e r i m e n t a l o f５k W a n n u l a r i o nt h r u s t e r[J]．J o u r n a lo fD e e p S p a c eE x p l o r a t i o n,２０１７,４(３):２３２Ｇ２３７(i nC h i n e s e)．(编辑:杨婵)。

中高功率离子推力器的性能参数分析研究
张天平;陈娟娟;李兴坤
【期刊名称】《真空与低温》
【年(卷),期】2012(018)001
【摘要】此次系统调研在已有高功率离子推力器研制情况的基础上,对中高功率离子推力器的主要性能参数进行了分析研究,得到了离子推力器性能随功率变化的经验关系,并应用这些关系分析预测了中高功率离子推力器的性能极限,得出了基于现有技术的离子推力器难以满足未来高功率电推进使命需求的分析结论.
【总页数】12页(P9-20)
【作者】张天平;陈娟娟;李兴坤
【作者单位】兰州空间技术物理研究所,甘肃兰州730000;兰州空间技术物理研究所,甘肃兰州730000;兰州空间技术物理研究所,甘肃兰州730000
【正文语种】中文
【中图分类】V439*
【相关文献】
1.小功率ECR离子推力器技术研究发展现状 [J], 柯于俊;陈学康;孙新锋;田立成
2.30 cm离子推力器栅极组件热形变位移分析研究 [J], 孙明明;张天平;贾艳辉
3.大功率离子推力器屏栅电源拓扑技术进展与展望 [J], 武桐;翟浩;武荣;王其岗;王少宁
4.离子推力器工作性能参数控制模型 [J], 孙明明;张天平;郭伟龙;龙建飞
5.LIPS-200离子推力器热特性模拟分析研究 [J], 孙明明;张天平;陈娟娟;龙建飞
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碘工质射频离子推力器放电特性仿真研究束民涛;王国栋;徐壮壮;姚吉恺;钱都【期刊名称】《真空科学与技术学报》【年(卷),期】2024(44)2【摘要】碘作为空间推进器中极具发展潜力的工质,近些年备受关注。

与氙气不同,碘工质放电的产物较为复杂,主要是I^(+),同时还包含了少量的I^(-)、I_(2)^(+)、I_(2)^(+)和I_(3)^(+)。

虽然多价离子的含量较少,但对推力器的工作性能存在着不小的影响。

文章基于等离子体放电建立二维轴对称模型,分别研究了质量流量、射频功率以及背景压力对两种主要电离产物I^(+)、I_(2)^(+)的影响。

质量流量为20~70 mL/min,随着质量流量的增加,I^(+)略微降低,I_(2)^(+)略微增加。

射频功率为100~650 W,随着射频功率的增加,I^(+)迅速增加,I_(2)^(+)略微减小。

背景压力在0.001~0.1 Torr时,随着背景压力的增加,I^(+)先是快速增加,在p0=0.015 Torr左右,开始减小;I_(2)^(+)一直维持缓慢增加。

在忽略电离损耗的前提下,对三个影响因素进行全因子实验设计分析(DOE),得出质量流量在60 mL/min,射频功率在150 W,背压在0.015 Torr时,得出最优产物中I_(2)^(+):I^(+)=0.204094,与仿真结果 I_(2)^(+):I^(+)=0.205069,误差为0.48%。

【总页数】7页(P125-131)【作者】束民涛;王国栋;徐壮壮;姚吉恺;钱都【作者单位】合肥工业大学机械工程学院真空工程系;北京空间机电研究所【正文语种】中文【中图分类】V439.1【相关文献】1.电子轰击式离子推力器放电腔结构对等离子体特性影响的全粒子仿真研究2.微型射频离子推力器放电等离子体全局模型仿真研究3.面向火星探测的CO_(2)工质射频离子推力器离子源性能研究4.碘工质射频离子推力器栅极系统束流特性仿真5.射频离子推力器放电与引出特性调节规律仿真与试验研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

螺旋波离子推力器关键技术研究鱼伟东;张天平;温晓东;孙新锋【摘要】螺旋波离子源利用放电室外部天线激发的螺旋波将能量耦合到放电室中,在附加磁场的作用下,可以产生高密度的低温等离子体.目前以螺旋波放电作为离子源的电推力器大多采用了无电极的加速方式,加速效果不显著,推力、比冲较低,而将螺旋波离子源和成熟的栅极加速技术结合在一起的螺旋波离子推力器有望成为新的高效率、高比冲的推力器.从提高推力器性能的角度出发,就螺旋波离子推力器设计需要考虑的关键技术展开分析.讨论了天线结构、辐射阻抗、辐射方向性对天线耦合效率的影响;放电室尺寸、磁场强度和射频功率对放电效率的影响;栅极加速系统的设计及其与螺旋波离子源的耦合分析等.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2019(025)002【总页数】8页(P126-133)【关键词】电推进;螺旋波;离子推力器;栅极加速【作者】鱼伟东;张天平;温晓东;孙新锋【作者单位】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;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;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;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【正文语种】中文【中图分类】V439+.10 引言螺旋波是一种在磁化等离子体中传播的哨声波，由于其波阵面除了向前传播之外，还存在沿方位角方向的旋转传播，故名螺旋波。

当射频天线激发的电磁波传播到磁化等离子体中时，波与等离子体相互作用并将能量高效地耦合到等离子体中，能够产生高密度低温等离子体。

相比电感耦合放电（ICP）、电子回旋共振放电（ECR）等放电模式，螺旋波能够在相同功率条件下产生更高密度的等离子体，应用于空间电推进，能够提供更高的推力密度，缓解电推进发展中的高功率和空间饱和电流之间的矛盾。

螺旋波离子源在空间电推进中常见的加速方式包括双层（Double Layer）加速、磁喷管加速以及栅极加速等。

离子推力器内部等离子体的微观特性研究
陈娟娟;耿海;龙建飞;吴辰宸;贾艳辉;郭宁
【期刊名称】《真空与低温》
【年(卷),期】2022(28)5
【摘要】放电室是离子推力器产生等离子体的主要区域,放电室气体放电过程中的电势振荡导致阴极下游产生的大量高能离子不断轰击溅射刻蚀空心阴极触持极,长时间后,触持极顶被磨损穿透,阴极顶和阴极管也受到离子的轰击。

提出了一种解析方法,运用解析数学工具,研究放电室内磁感应强度、电场强度等对离子运动轨迹和等离子体振荡频率的影响,从数学角度描述放电室气体放电过程和等离子体振荡特性。

最终得到非平衡态下的离子含时演化方程、准平衡态下的等离子体动态特性曲线和放电室性能曲线。

【总页数】10页(P514-523)
【作者】陈娟娟;耿海;龙建飞;吴辰宸;贾艳辉;郭宁
【作者单位】兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室;南华大学【正文语种】中文
【中图分类】V439.1
【相关文献】
1.脉冲等离子体推力器放电电离特性的数值研究
2.脉冲等离子体推力器等离子体羽流的光谱研究
3.2cm电子回旋共振离子推力器离子源中磁场对等离子体特性与壁
面电流影响的数值模拟4.电子轰击式离子推力器放电腔结构对等离子体特性影响的全粒子仿真研究5.不同工质材料毛细管型脉冲等离子体推力器工作特性研究
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