兰州空间技术物理研究所 真空低温技术与物理国家级重点实验室，兰州 730030
为了提升20 cm离子推力器的抗冲击性能，对现有结构开展了力学分析和试验验证。对栅极组件进行结构等效处理后，采用有限元方法分析了整机的模态和冲击响应谱。分析结果显示，栅极组件结构等效前后的分析结果对比差距8.3%～11.9%；推力器的3个轴向基频分别为246，248，336 Hz，栅极组件和中间极靴是离子推力器的力学薄弱环节并对整体结构稳定性具有重要影响；在冲击载荷1600 g下，栅极组件表面应力主要集中在小孔区边缘处，且形变也主要发生在小孔区；在采取刚度为1000 kN/m的减振措施后，栅极组件的整体形变位移降低了60%～82%。试验结果显示，在10～1200 Hz的低频扫描过程中，推力器3个轴向的基频分别为256，258，348 Hz，与仿真结果基本一致，采用减振措施后的20 cm口径离子推力器通过了1600 g的冲击试验。
离子推力器 力学特性 Von-Mises应力 形变位移 ion thruster mechanical properties Von-Mises stress deformation 强激光与粒子束
2022, 34(4): 044005
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
为了研究30 cm离子推力器束流引出状态对栅极刻蚀的影响，建立了束流引出模型，并采用PIC-MCC方法对CEX离子造成的栅极腐蚀速率进行了计算，最后将计算结果与1500 h寿命试验结果进行比对分析。结果显示：束流正常聚焦时，在3 kW和5 kW两种工作模式下，加速栅和减速栅的质量刻蚀速率分别为(1.11～1.72)×10?15 kg/s及(1.22～1.26)×10?17 kg/s。在5 kW工况下，当屏栅上游等离子体密度达到4.03×1017 m?3时，束流出现欠聚焦现象，此时加速栅和减速栅的最大离子刻蚀速率分别为4.33×10?15 kg/s和4.02×10?15 kg/s；在3 kW工况下，当屏栅上游等离子体密度达到0.22×1017 m?3时，束流出现过聚焦现象，此时加速栅和减速栅的最大离子刻蚀速率分别为3.24×10?15 kg/s和5.01×10?15 kg/s。寿命试验结果表明，加速栅孔质量刻蚀速率的计算值与试验值比对误差较小，而由于束流离子对减速栅孔的直接轰击，导致减速栅孔刻蚀速率的计算值和试验值差异极大。经研究认为，对屏栅小孔采用变孔径设计，是降低当束流处于欠聚焦或过聚焦状态下，CEX离子造成加速栅孔和减速栅孔刻蚀速率，并提升推力器工作寿命的有效措施。
离子推力器 栅极腐蚀 束流 聚焦状态 ion thruster grid erosion ion beam perveance condition 强激光与粒子束
2021, 33(2): 024005
兰州空间技术物理研究所 真空低温技术与物理国家级重点实验室, 兰州 730000
为了研究离子推力器工作参数对输出特性的影响,通过离子推力器工作性能参数的理论计算公式,建立起离子推力器输入参数与输出参数的Simulink控制模型,根据模型分别对我国研制的30 cm口径以及20 cm口径离子推力器的工作输出参数进行了理论计算,并通过推力测量试验对理论值进行了比对和分析。比对结果表明: 在推力理论计算过程中引入二价Xe离子比率和束流密度分布推力修正,以及推力均方误差修正后,推力理论值与实测值符合性较好,计算误差小于1 mN,证明了推力修正方法的合理性。
离子推力器 工作性能 参数控制模型 ion thruster work performance parameter control model 强激光与粒子束
2017, 29(4): 044003
中国计量学院光学与电子科技学院, 浙江 杭州 310018
研究了一种基于错位和花生形结构的全光纤马赫-曾德干涉仪, 进行了液位和曲率的测量实验, 利用错位结构将纤芯模式激发到包层, 包层模式经过花生形结构被耦合到纤芯与原有的纤芯模式发生干涉。 包层模式对外界物理量如折射率、 应力的变化敏感, 导致透射光谱漂移。 波谷波长的漂移量与液位和曲率的变化成线性关系, 利用波谷的漂移实现液位和曲率的测量。 在液位实验中, 在水位变化范围为1.00～5.00 cm时, 波谷向短波方向漂移, 灵敏度最高为-0.68 nm·cm-1, 线性拟合度为0.995 4。 在曲率实验中, 曲率的变化范围为0.3～1.2 m-1时, 波谷向长波方向漂移, 灵敏度最高为22.47 nm·m, 线性拟合度为0.986 4, 表现出较高的灵敏度。 错位结构和花生形结构被用于组成马赫-曾德干涉仪, 用普通的光纤熔接机和普通单模光纤即可熔接, 结构和制作方法简单, 灵敏度高, 尤其在曲率的测量中表现出较高的灵敏度。
光纤传感器 马赫-曾德干涉仪 液位测量 曲率测量 Optical fiber sensor Mach-Zehnder interferometer Liquid level sensor Curvature sensor 光谱学与光谱分析
2016, 36(5): 1560
中国计量大学 光学与电子科技学院, 杭州 310018
为了解决光纤传感器波长解调成本高以及交叉敏感的问题, 提出一种温度不敏感光纤曲率传感器, 该传感器是由花生形结构连接一个光纤布喇格光栅组成, 对反射光采用强度解调.光进入花生形结构后激发出包层模式, 通过光纤布喇格光栅反射后, 反射的纤芯模再次在花生形结构产生不同阶次的包层模, 然后和反射的纤芯模耦合, 在反射光谱中除了光纤布喇格光栅的布喇格反射峰外, 在短波长处出现若干个谐振峰, 波长越小, 包层模的阶次越高.实验结果表明曲率的变化范围为0.669 0~1.250 0 m－1时, 测量到反射谐振峰平均光功率为2.260×10－7~1.501×10－7 mW,灵敏度为－1.306×10－7 mW/ m－1, 在温度范围25℃~75℃内, 反射包层模光功率基本保持不变.该传感器成本低且花生形结构制作简单、机械强度大.
光纤光学 传感器 包层模 反射光 曲率 温度 Fiber optics Sensor Cladding mode Reflected light Curvature Temperature 光子学报
2016, 45(11): 1106006
中国计量学院 光学与电子科技学院,杭州 310018
提出了一种基于光纤布拉格光栅和马赫-曾德干涉仪相结合的同时测量曲率和温度的光纤传感器.该光纤传感器在马赫-曾德干涉仪中熔接一段布拉格光纤光栅,其中马赫-曾德干涉仪由两个花生形结构单模光纤熔接而成.实验结果表明,马赫-曾德干涉仪的透射谱中干涉峰和光纤布拉格光栅透射谱中谐振峰对曲率和温度有不同的响应灵敏度,因此可以利用矩阵实现对曲率和温度的同时测量.实验中测得马赫-曾德干涉仪曲率灵敏度为－27.58 nm/m－1,光纤布拉格光栅在一定的测量范围内对曲率的变化不敏感,马赫-曾德干涉仪和光纤布拉格光栅的温度灵敏度分别为0.038 69 nm/℃和0.012 17nm/℃.该系统采用全光纤结构,光纤布拉格光栅嵌入到马赫-曾德干涉仪中,因而结构紧凑和简单,且易于实现.
光纤传感器 弯曲传感器 马赫-曾德干涉仪 光纤布拉格光栅 同时测量 Fiber optical sensor Curvature sensor Mach-Zehnder interferometer Fiber Bragg grating Simultaneous measurement 光子学报
2015, 44(11): 1106004
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
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.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.应用模型计算LIPS200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NEXT具有较好的一致性;采用多工况试验参数(阳极电流4.0~4.4 A,阳极电压34~38 V)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%.
离子推力器 放电室 能量损耗 能量平衡 ion thruster discharge chamber energy loss energy balance 强激光与粒子束
2015, 27(7): 074002
兰州空间技术物理研究所 真空低温技术与物理国家级重点实验室, 兰州 730030
为了优化20 cm离子推力器放电室内部推进剂供气方式, 研究了在不发生气体放电时, 推力器阳极和主阴极供气接口处的流体速度和压强, 并以此开展推力器放电室内部的流场计算。结果表明: 采用单阳极供气管方式, 阳极出口处压强为4~158 Pa, 气流出口速度为0.1~47 m/s；阴极小孔出口处的压强约为33.1 Pa, 出口速度约为12 m/s；考虑真空系统的返流作用时, 单阳极供气管方式下放电室内部压强为0.001~0.4 Pa, 大部分区域Xe原子数密度为(0.2~3)×1018/m3, 在靠近栅极的部分区域数密度达到9×1019/m3左右；在增加阳极组件的供气管数量后, 阳极的气体出口速度为18~40 m/s, 放电室压强为0.03~0.1 Pa, 大部分区域Xe原子数密度为(0.72~2.4)×1019/m3, 靠近阳极与主阴极进气端的小部分区域原子数密度约2×1017/m3, 且放电室内部原子密度整体分布较为均匀。
离子推力器 放电室 供气方式 流场 原子数密度分布 ion thruster discharge chamber feeding way flow field atom distribution 强激光与粒子束
2015, 27(5): 054003
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
为了对30 cm口径离子推力器的磁场设计提出合理建议，研究了四极磁场结构下，不同尺寸的磁极宽度和磁极间距对磁极表面磁场强度和放电室电子约束长度的影响，并利用Maxwell-3D磁场分析软件得到柱段和锥段永磁体分别呈30°，60°和90°夹角时的放电室磁场强度分布，根据不同磁场强度计算了电子温度、离子密度以及电离率等推力器放电参数。结果表明，当推力器放电电压为30 V时，磁极长度设计为0.008 m且磁极间距取为0.12 m，电子约束路径大约为50 m; 柱段和锥段永磁体分别呈30°，60°和90°夹角时，放电室磁场等势线基本在0.002~0.005 T之间; 永磁体夹角为60°时磁场分布和磁空区相比30°和90°夹角更为合理，此时的电子温度约在2~6 eV，等离子体密度约在4×1017~8×1017 m-3，电子碰撞频率比率约在0.2~1.8范围内。
30 cm口径 离子推力器 磁场设计 30 cm diameter ion thruster magnetic field design 强激光与粒子束
2015, 27(4): 044001
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
为了对霍尔推力器的热分析研究提供准确的能耗加载条件,开展了霍尔推力器稳态工况下的热模型研究。基于等离子体理论,分析放电室内各项能量损耗机理,并建立各能量损耗与推力器工作参数、性能参数和结构参数的相关函数,系统地得到了霍尔推力器的完整热模型。以LHT100推力器为研究对象,热模型计算结果显示: 额定工况下束流能量损耗约889 W,壁面能量损耗约300 W,阳极能量损耗约44 W,电离能量损耗约43 W,辐射能量损耗约34 W等。以此能量损耗作为热边界条件进行有限元分析,并开展热平衡试验进行验证,计算结果与试验结果吻合较好,最大误差小于5%。
霍尔推力器 热模型 热损耗 热分析 Hall thruster thermal model heat loss thermal analysis 强激光与粒子束
2014, 26(12): 124002
