1 西北工业大学 燃烧、热结构与内流场重点实验室, 西安 710072
2 大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室, 辽宁 大连 116024
Kr是新型低成本离子推力器的优选工质之一.采用三维PIC粒子模拟方法对Kr等离子体在栅极系统中的输运过程进行仿真,并与Xe工质仿真结果进行对比,分析工质类型对束流分布、离子通过率、发散角损失和推力等参数特性和分布的影响.结果表明:相比于Xe工质,Kr工质条件下,屏栅上游鞘层区域更大,屏栅离子通过率略有上升;Kr+在加速栅孔轴向速度较大,径向位移小,撞击加速栅几率小,加速栅电流相对较小;Kr工质和Xe工质的发散角损失相当,但Kr工质工作电流区域更高;相比于Xe工质,相同功率条件下Kr工质的推力值约降低20%.
离子推力器 栅极系统 等离子体模拟 氪 束流 ion thruster optics system plasma simulation PIC PIC Kr beam 强激光与粒子束
2015, 27(7): 074005
西北工业大学 燃烧、流动和热结构国家级重点实验室, 西安 710072
分析了电子的准中性假设、玻耳兹曼分布假设、粒子模型在电推力器流动模拟中的适用性和优劣性，提出了一种新的电子处理方法——电子漂移扩散近似，采用该方法模拟了离子发动机栅极光学系统等离子体运动过程。结果表明:该方法得出的电势分布、离子相空间分布及电子数密度分布与经典的电子玻耳兹曼分布假设处理方法计算结果一致，验证了该方法可以很好地应用于电推力器栅极光学系统模拟。
电推力器 粒子模拟 漂移扩散近似 栅极光学系统 electric thruster particle model drift-diffusion approximation grid optical system
为更好地理解放电腔内等离子体物理机制, 对Kaufman型离子推力器放电腔进行了数值研究, 其中初始电子采用粒子模拟的方法处理, 二次电子和离子采用漂移-扩散流体近似描述。模拟结果与已有实验测量数据进行对比表明：所采用计算方法适用于放电腔内等离子体流动规律的数值研究;模拟得到的稳态下等离子体分布及变化规律与实验测量数据相吻合;磁场的设计对初始电子起到显著的约束作用, 有效地提高了其与工质气体的电离碰撞几率;二次电子的精确描述还需在流体方程中耦合磁场效应。
放电腔 离子推力器 漂移-扩散 粒子 磁场 discharge chamber ion thruster drift-diffusion particle magnetic field 强激光与粒子束
2010, 22(12): 3020
1 兰州理工大学 有色金属新材料国家重点实验室, 兰州 730050
2 西北工业大学 航天学院, 西安 710072
3 中国空间技术研究院 兰州分院, 兰州 730000
为有效提高空间太阳能聚光器的聚光效率, 提出了一种用于太阳能热推进器的具有伞状龙骨结构的可折叠展开式抛物面太阳能聚光器设计方案, 该方案可以克服充气展开式抛物面聚光器和刚性固定抛物面聚光器具有的技术难题。设计了一个聚光功率100 kW, 开口圆半径4.9 m的可折叠展开式伞状龙骨结构正焦抛物面聚光器, 利用Fluent软件, 对太阳能热推进器进行了模拟和性能预示, 以氢气为工质气体, 得到系统的推力和比冲可以分别到达10.23 N和701.4 s。结果表明:这种推进器具有比冲高、推力适中的特点, 可以用于微小卫星、纳卫星的轨道转换及姿态控制。
太阳能热推进 聚光器 伞状龙骨 比冲 推力 solar thermal propulsion concentrator umbrella-shaped keel specific impulse thrust 强激光与粒子束
2010, 22(10): 2295
1 西北工业大学 航天学院, 西安 710072
2 陕西动力机械设计研究所, 西安 710100
为了揭示大气环境电子束等离子体的性质，基于蒙特卡罗程序包Geant4建立了一个包含电离、激发以及轫致辐射等物理过程的计算模型，用于模拟非均匀磁场约束条件下高能强流稳态电子束的输运特性、以及大气环境等离子体的性质。结果表明：非均匀磁场可以有效控制电子束在空气中的输运轨迹，显著降低电子束的发散；随着电子束在空气中行程的增加，电子束能谱开始展宽并向低能区移动；输运装置出口能量损失比电子束射程末端高2个量级，且随着电子束输运距离的增加，等离子体密度降低；等离子体密度的高低与电子束能量直接相关。
电子束 大气环境 等离子体 非均匀磁场 蒙特卡罗 electron beam atmosphere plasma nonuniform magnetic field Monte Carlo
采用时域有限差分法计算了不同特性电推力器等离子体喷流对不同频率通讯电磁波的衰减系数, 采用空间透射波法进行了微波等离子体推力器喷流对C波段电磁波衰减的地面测试实验。理论计算和实验诊断结果表明: 电推力器等离子体喷流对电磁波的衰减系数随着电磁波频率的升高逐渐减小, 随着喷流等离子体频率的升高近似线性增大, 随着喷流等离子体碰撞频率的增大呈先增大后减小的趋势；当喷流中等离子体数密度为0.9×1016~1.8×1016 m-3时, C波段电磁波的衰减系数为1.5~6.0 dB, 电推力器等离子体喷流对通讯信号的衰减效应不可忽略。
电推力器 等离子体 电磁波 衰减 electric thruster plasma electromagnetic wave attenuation
1 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室运载工程与力学学部 航空航天学院, 大连 116024
2 西北工业大学 航天学院, 西安 710072
微空心阴极放电推力器是一种新颖的电热式微推力器, 利用纳卫星提供的1～10 W的功率可提高微推进装置的性能。为了预示该推力器的性能, 结合实验中测量的气体温度值和火箭发动机原理, 初步计算得出微放电推力器的推力范围为几十至上千μN, 以氩气为工质比冲量级为600～1 000 N·s/kg, 以氦气为工质比冲量级为3 000 N·s/kg。研究结果表明, 微空心阴极放电较小的尺寸结构与强烈并可控的气体加热相结合, 可以开发应用在电热式微放电推进中, 作为微小卫星, 尤其是纳卫星和皮卫星的动力系统。
电推进 纳卫星推进 微推力器 微空心阴极放电 electric propulsion nano-satellite propulsion microthruster microhollow cathode discharge
采用粒子网格单元和蒙特卡罗碰撞方法,建立了离子推力器羽流场的2维轴对称模型,对其特性进行了数值模拟,并将模拟结果与实验测量数据进行了对比分析。研究结果表明:数值模拟结果与实验测量值基本一致,模型可以很好地评估离子推力器的羽流特性;返流区离子数密度达到1014 m-3量级,会对航天器表面产生污染;背压对束流区域外电荷交换离子影响较为显著,不可忽略。
离子推力器 羽流 粒子网格单元 蒙特卡罗碰撞 电荷交换 返流区 ion thruster plume particle-in-cell Monte Carlo collision charge exchange backflow region
