检索结果-内蒙古大学图书馆

推进技术 2025年第3期46卷 261-273页

作者：黄子霖耿金越胡远杨超孙泉华中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 中国科学院力学研究所宽域飞行工程科学与应用中心北京100190

碘工质是电推进领域最重要的工质之一。为掌握碘工质在微直流离子推力器中的放电特性,并评估其在微型直流离子推力器中替代氙气工质的可行性,本文建立了二维几何、三维速度(2D3V)的PIC-MCC-DSMC紧耦合全粒子计算模型,对碘工质在MiXI构... 详细信息

碘工质是电推进领域最重要的工质之一。为掌握碘工质在微直流离子推力器中的放电特性,并评估其在微型直流离子推力器中替代氙气工质的可行性,本文建立了二维几何、三维速度(2D3V)的PIC-MCC-DSMC紧耦合全粒子计算模型,对碘工质在MiXI构型微直流离子推力器内的放电过程开展了数值模拟。模拟结果显示碘分子在注入放电室后迅速被离解,放电室中主要中性粒子为碘原子I,碘原子电离产生的I^(+)为主要离子组分,密度约比I_(2)^(+)高一个数量级。在本文的基准工况下,输出的离子束流中82%由I^(+)贡献,I_(2)^(+)贡献了余下的18%。对比碘与氙在不同放电电压下的放电特性,本文发现两种工质的质量利用率和放电效率均十分接近,并且展现了一致的变化趋势。本文研究结果表明:在微型直流离子推力器中,碘工质具有和氙工质十分相似的放电性能和对放电参数的响应特性。现有的氙气工质微型直流离子推力器的放电优化策略对碘工质推力器的设计和优化具有极强的参考价值。

关键词：微型直流离子推力器碘工质完全动理学模拟 PIC-MCC-DSMC耦合算法替代工质放电性能

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微离子推力器的电离过程建模仿真研究

微离子推力器的电离过程建模仿真研究

引用

作者：辜文词哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

如今小卫星航天技术蓬勃发展,面对深空探测、姿态控制、编队飞行等航天任务,与小行星配套的微型推进系统成为各国的研究热点。离子推力器具有寿命长、比冲高、效率高的特点,故而小型化离子推力器具有较高的研究价值。电离室作为离子推... 详细信息

如今小卫星航天技术蓬勃发展,面对深空探测、姿态控制、编队飞行等航天任务,与小行星配套的微型推进系统成为各国的研究热点。离子推力器具有寿命长、比冲高、效率高的特点,故而小型化离子推力器具有较高的研究价值。电离室作为离子推力器的重要组成部分,电离室的电离效率直接影响离子推力器的性能,因此本文建立微型直流离子推力器电离室二维全粒子模型,对圆柱形电离室离子推力的放电过程展开模拟研究工作。首先,综合网格云粒子-蒙特卡洛碰撞(PIC-MCC)模拟和PIC-MCC原理的放电模型模拟计算流程,针对直径30mm量级微离子推力器模拟确定电离室模型的几何构型,确定了模型中时间步长等模拟参数选取方法,分析了外部电磁场、电离室内部各类粒子间的碰撞以及粒子在边界上的处理方法,建立微型直流离子推力器电离室二维全粒子模型。其次,针对建立的全粒子模型计算量大、模型运行速度缓慢的问题,开展微型直流离子推力器电离室模拟加速手段研究,分别采取自相似模型,改变重粒子质量以及扩大介电常数的方式对模型进行加速。模拟结果显示,电子由阴极射出后,与背景气体发生电离碰撞产生等离子体,随着模拟的进行,电子与离子逐渐累积,电离达到平衡状态。将加速后的模型与实验结果进行对比,电离达到平衡后等离子体分布与实验结果一致,模型所得等离子体密度结果与实验结果相差5.8%,验证了模型的准确性。第三,面向微离子推力器电离效率普遍较低的问题,开展不同参数下放电室电离效率影响模拟研究,对比不同放电条件下的放电室内部电子、离子密度分布。结果显示,阴极的直径以及轴向位置对电子在电离室内部运动影响明显,随着阴极直径的增大电子被更易被壁面吸收,降低电离率;阴极轴向位置对电离的影响主要体现在电场与电离区域间的平衡;提高阳极电压和采用阳极壁面上两环尖的磁场,放电室内部等离子体密度增大,电离效果有所加强;原初电子能量与阴极电流主要影响电离室放电初期电离速度,对平衡后离子密度影响不明显。最后,本文利用零维模型计算微型直流离子推力器放电室内部的各项能量损失,结果显示微型直流离子推力器电离室内部最主要的损失为原初电子轰击阳极壁面产生的能量损失,该损失占总电离能量的近80%。因此降低原初电子阳极壁面损失是提高电离效率的重要手段。通过研究不同外场条件以及阴极触持极电势变化对能量损失的影响,结果表明延长电子在电离室内部停留时间,提高电离碰撞发生的概率能够降低能量损失,为微型直流离子推力器电离效率提升提供了技术参考。

关键词：微型直流离子推力器 PIC-MCC仿真放电室模型放电参数放电损失

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