屏栅边缘小孔孔径对离子推力器性能的影响
发布时间：2021-07-27 04:56
提出并实验验证了一种通过减小屏栅边缘小孔孔径消除双模式离子推力器中束流离子对三栅极系统减速栅边缘小孔溅射刻蚀的方法.基于30 cm双模式离子推力器,在小推力高比冲和大推力高功率两种工作模式下实验对比研究了屏栅边缘小孔孔径对推力器放电损耗、束流平直度和减速栅边缘小孔刻蚀速率和刻蚀范围的影响.当束流半径95%外的屏栅小孔孔径缩小26%后, 30 cm双模式离子推力器在小推力高比冲模式和大推力高功率模式下放电损耗分别减小10%和21%;束流平直度分别下降3%和10%;减速栅边缘小孔存在离子溅射刻蚀的小孔排数由边缘5排减小到最边缘1排,刻蚀速率明显减小,并且当工作900 h后最边缘小孔刻蚀现象也消失.实验结果表明:减小屏栅边缘小孔孔径是一种解决双模式离子推力器小推力高比冲模式下束流离子对三栅极系统减速栅边缘小孔溅射刻蚀的有效方法,而且不会降低推力器效率,但是会造成束流均匀性变差.
【文章来源】：物理学报. 2020,69(11)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
30 cm双模式离子推力器束流密度径向分布曲线
对比图2和图3不难发现,小孔径栅相比等孔径栅,30 cm双模式离子推力器300 h内平均功率和平均放电损耗均减小,与放电损耗影响实验结果相同,即屏栅边缘小孔孔径缩小后虽然使栅极几何透明度下降,但放电损耗却降低.在小推力高比冲和大推力高功率两种工作模式下,300 h内平均功耗分别减小0.22%和0.25%,平均放电损耗分别减小7.14%和7.45%.这里功耗相比放电损耗减小并不明显是因为,一方面中高功率离子推力器总功率中放电功率占比较低;另一方面是因为在小孔径栅实验时对PPU闭环控制束流进行了调大处理,束功耗增加,造成相应总功耗增加.图4给出了装配等孔径栅和小孔径栅的离子推力器分别在小推力高比冲模式累计工作300 h后和大推力高功率模式再工作300 h总共累计600 h后,减速栅边缘下游表面照片.由图4可见,等孔径栅在工作300 h后,减速栅边缘5排小孔孔径存在不同程度的呈六边形状增大,其中最边缘小孔孔径增大最为明显.然而,小孔径栅推力器工作300 h和600 h后减速栅除最边缘小孔外其余小孔孔径无可见变化.
为了对减速栅小孔刻蚀情况进行定量评价,分别在磨损实验前、300 h实验后和600 h实验后对不同栅极半径处减速栅小孔孔径采用三维光学轮廓仪进行了测量.测量时在减速栅下游表面测量小孔边上均布确定8个点,然后通过轮廓仪软件拟合成圆得到小孔直径.图5给出了装配等孔径栅和小孔径栅的30 cm双模式离子推力器分别在小推力高比冲模式累计工作300 h和大推力高功率模式再工作300 h总共累计600 h后减速栅不同半径处小孔平均孔径相对磨损实验前的相对变化情况由图5可知,等孔径栅在小推力高比冲模式工作300 h后最边缘小孔孔径增大8.4%,再在大推力高功率模式工作300 h后最边缘小孔孔径增量达到13.6%.小孔径栅工作300 h后减速栅最边缘小孔孔径增大6%,600 h后相对增大至7.4%.并且后期寿命实验显示,小孔径栅最边缘小孔刻蚀随工作时间增加,逐步减缓,累计900 h时不再刻蚀.采取小孔径栅后,减速栅最边缘的小孔仍然存在刻蚀是由小孔周围非对称结构造成小孔鞘层扭曲导致的[21],同NEXT推力器寿命实验结果表现相同[23].对比等孔径栅和小孔径栅短期磨损实验结果不难发现减速栅边缘小孔刻蚀主要发生在小推力高比冲模式,屏栅边缘小孔孔径缩小后除最边缘小孔外其他小孔刻蚀消失,且最边缘小孔刻蚀至一定程度后将不再刻蚀.因此,缩小屏栅边缘小孔孔径是解决双模式离子推力器减速栅边缘小孔刻蚀问题,实现推力器长寿命的一条有效途径.
【参考文献】：
期刊论文
[1]离子推力器多模式化研究[J]. 赵以德,吴宗海,张天平,耿海,李娟,李建鹏,孙小菁,杨浩. 推进技术. 2020(01)
[2]中国电推进技术发展及展望[J]. 于达仁,乔磊,蒋文嘉,刘辉. 推进技术. 2020(01)
[3]40cm离子推力器功率宽范围工作实验研究[J]. 赵以德,张天平,黄永杰,孙小菁,孙运奎,李娟,杨福全,池秀芬. 推进技术. 2018(04)
[4]离子推力器栅极透过率径向分布特性研究[J]. 龙建飞,张天平,李娟,贾艳辉. 物理学报. 2017(16)
[5]离子推力器三栅极系统的3维PIC仿真[J]. 陈茂林,夏广庆,杨正岩,张斌,徐宗琦,毛根旺. 高电压技术. 2014(10)
[6]多模式离子推力器栅极系统三维粒子模拟仿真[J]. 陈茂林,夏广庆,毛根旺. 物理学报. 2014(18)
[7]离子推力器欠聚焦冲击电流的数值模拟[J]. 李娟,刘洋,楚豫川,曹勇. 推进技术. 2011(06)
[8]离子发动机栅极系统中束流离子的三维模拟[J]. 钟凌伟,刘宇,任军学,仇钎. 航空动力学报. 2010(09)
本文编号：3305126
【文章来源】：物理学报. 2020,69(11)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
30 cm双模式离子推力器束流密度径向分布曲线
对比图2和图3不难发现,小孔径栅相比等孔径栅,30 cm双模式离子推力器300 h内平均功率和平均放电损耗均减小,与放电损耗影响实验结果相同,即屏栅边缘小孔孔径缩小后虽然使栅极几何透明度下降,但放电损耗却降低.在小推力高比冲和大推力高功率两种工作模式下,300 h内平均功耗分别减小0.22%和0.25%,平均放电损耗分别减小7.14%和7.45%.这里功耗相比放电损耗减小并不明显是因为,一方面中高功率离子推力器总功率中放电功率占比较低;另一方面是因为在小孔径栅实验时对PPU闭环控制束流进行了调大处理,束功耗增加,造成相应总功耗增加.图4给出了装配等孔径栅和小孔径栅的离子推力器分别在小推力高比冲模式累计工作300 h后和大推力高功率模式再工作300 h总共累计600 h后,减速栅边缘下游表面照片.由图4可见,等孔径栅在工作300 h后,减速栅边缘5排小孔孔径存在不同程度的呈六边形状增大,其中最边缘小孔孔径增大最为明显.然而,小孔径栅推力器工作300 h和600 h后减速栅除最边缘小孔外其余小孔孔径无可见变化.
为了对减速栅小孔刻蚀情况进行定量评价,分别在磨损实验前、300 h实验后和600 h实验后对不同栅极半径处减速栅小孔孔径采用三维光学轮廓仪进行了测量.测量时在减速栅下游表面测量小孔边上均布确定8个点,然后通过轮廓仪软件拟合成圆得到小孔直径.图5给出了装配等孔径栅和小孔径栅的30 cm双模式离子推力器分别在小推力高比冲模式累计工作300 h和大推力高功率模式再工作300 h总共累计600 h后减速栅不同半径处小孔平均孔径相对磨损实验前的相对变化情况由图5可知,等孔径栅在小推力高比冲模式工作300 h后最边缘小孔孔径增大8.4%,再在大推力高功率模式工作300 h后最边缘小孔孔径增量达到13.6%.小孔径栅工作300 h后减速栅最边缘小孔孔径增大6%,600 h后相对增大至7.4%.并且后期寿命实验显示,小孔径栅最边缘小孔刻蚀随工作时间增加,逐步减缓,累计900 h时不再刻蚀.采取小孔径栅后,减速栅最边缘的小孔仍然存在刻蚀是由小孔周围非对称结构造成小孔鞘层扭曲导致的[21],同NEXT推力器寿命实验结果表现相同[23].对比等孔径栅和小孔径栅短期磨损实验结果不难发现减速栅边缘小孔刻蚀主要发生在小推力高比冲模式,屏栅边缘小孔孔径缩小后除最边缘小孔外其他小孔刻蚀消失,且最边缘小孔刻蚀至一定程度后将不再刻蚀.因此,缩小屏栅边缘小孔孔径是解决双模式离子推力器减速栅边缘小孔刻蚀问题,实现推力器长寿命的一条有效途径.
【参考文献】：
期刊论文
[1]离子推力器多模式化研究[J]. 赵以德,吴宗海,张天平,耿海,李娟,李建鹏,孙小菁,杨浩. 推进技术. 2020(01)
[2]中国电推进技术发展及展望[J]. 于达仁,乔磊,蒋文嘉,刘辉. 推进技术. 2020(01)
[3]40cm离子推力器功率宽范围工作实验研究[J]. 赵以德,张天平,黄永杰,孙小菁,孙运奎,李娟,杨福全,池秀芬. 推进技术. 2018(04)
[4]离子推力器栅极透过率径向分布特性研究[J]. 龙建飞,张天平,李娟,贾艳辉. 物理学报. 2017(16)
[5]离子推力器三栅极系统的3维PIC仿真[J]. 陈茂林,夏广庆,杨正岩,张斌,徐宗琦,毛根旺. 高电压技术. 2014(10)
[6]多模式离子推力器栅极系统三维粒子模拟仿真[J]. 陈茂林,夏广庆,毛根旺. 物理学报. 2014(18)
[7]离子推力器欠聚焦冲击电流的数值模拟[J]. 李娟,刘洋,楚豫川,曹勇. 推进技术. 2011(06)
[8]离子发动机栅极系统中束流离子的三维模拟[J]. 钟凌伟,刘宇,任军学,仇钎. 航空动力学报. 2010(09)
本文编号：3305126
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