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加速栅小孔对变推力离子推力器性能影响的实验研究

胡竟 郭德洲 耿海 杨福全 李建鹏 陈娟娟

胡竟,郭德洲,耿海,等. 加速栅小孔对变推力离子推力器性能影响的实验研究[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(5):1476-1486
引用本文: 胡竟,郭德洲,耿海,等. 加速栅小孔对变推力离子推力器性能影响的实验研究[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(5):1476-1486
HU J,GUO D Z,GENG H,et al. Experimental study on effect of aperture of accelerator grid on performance of variable thrust ion thruster[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(5):1476-1486 (in Chinese)
Citation: HU J,GUO D Z,GENG H,et al. Experimental study on effect of aperture of accelerator grid on performance of variable thrust ion thruster[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(5):1476-1486 (in Chinese)

加速栅小孔对变推力离子推力器性能影响的实验研究

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2024.0180
基金项目: 

国家重点研发计划(2021YFC2202704);国家自然科学基金(62371213); 甘肃省自然科学基金(22JR5RA787,22JR5RA789,22JR5RA784)

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:hjing37615486@163.com

  • 中图分类号: V439+.4

Experimental study on effect of aperture of accelerator grid on performance of variable thrust ion thruster

Funds: 

National Key Research and Development Program of China (2021YFC2202704); National Natural Science Foundation of China (62371213); Natural Science Foundation of Gansu Province (22JR5RA787,22JR5RA789,22JR5RA784)

More Information
  • 摘要:

    离子推力器以其比冲高、寿命长的突出优势,在长寿命航天器的姿轨控任务中得到广泛应用。以实现大范围、高精度推力调节为目标,针对加速栅小孔对连续变推力模式离子推力器的性能影响开展了综合实验研究,分析加速栅小孔补偿设计的机理与影响因素,基于10 cm口径连续变推力离子推力器,设计2种加速栅小孔中心距补偿系数的栅极系统,在不同推力模式下研究加速栅小孔中心距补偿系数对推力器放电室内等离子体宽范围放电特性、电子反流极限电压与加速栅电流、离子束流分布特性及离子溅射刻蚀效应的影响作用关系。以此为基础,开展多时间尺度下变推力模式对加速栅溅射刻蚀的影响评价。结果表明:在总加速电压恒定的情况下,改变加速栅小孔中心距补偿系数可调节放电室的基本性能和束流离子的密度分布,且推力越小,补偿系数变化的影响权重越明显;加速栅小孔中心距补偿系数的变化不会明显改变栅极系统的电子返流极限电压,但会显著影响宽范围变推力工作点下束流离子对栅极系统的离子溅射刻蚀效应,对此可通过调整总加速电压予以改善。研究结果为变推力离子推力器栅极系统匹配性设计及高性能变推力控制策略优化提供了技术支撑。

     

  • 图 1  凹面栅孔束流引出时的聚焦示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of beam induced by concave grid hole

    图 2  等离子体诊断装置测试原理图

    Figure 2.  Test schematic diagram of plasma diagnostic device

    图 3  2种加速栅小孔中心距补偿系数不同工作点放电损耗及放电电压变化情况

    Figure 3.  Discharge loss and discharge voltage variation at different operating points under two accelerator grid compensation coefficients

    图 4  不同工作点下离子束流、加速栅电流随加速栅电压变化关系

    Figure 4.  Relationship between ion beam current and acceleration current at different operating points and acceleration voltage

    图 5  2种补偿系数状态下推力器在不同工作点的束流密度分布归一化曲线

    Figure 5.  Normalized curves of beam density distribution of thrusters at different operating points under two compensation coefficients

    图 6  2种补偿系数状态下20 mN工作点工作200 h时的关键参数变化情况

    Figure 6.  Changes of key parameters at 20 mN for 200 h under two compensation coefficients

    图 7  加速栅不同半径处表面刻蚀深度与小孔直径相对变化情况

    Figure 7.  Relative change of etching depth and aperture diameter at different radii on downstream surface of accelerator grid

    图 8  加速栅下游表面刻蚀中心区域坑槽腐蚀深度显微测试结果

    Figure 8.  Microscopic test results of pit corrosion depth in center area of downstream surface of accelerator grid

    表  1  推力器实验工作条件

    Table  1.   Experimental working conditions of thrusters

    工作参数 参数配置 参数模式
    屏栅电压 1150 V 恒压输出
    加速栅
    电压
    −150 V 恒压输出
    阳极电流 1.1 A(5 mN)、2.2 A(10 mN)、
    3.1 A(20 mN)、3.9 A(25 mN)
    恒流输出
    励磁电流 0.19 A(5 mN)、0.30 A(10 mN)、
    0.45 A(20 mN)、0.54 A(25 mN)
    电流宽范围可调
    中和器
    触持电流
    1.4 A 恒流输出
    主阴极
    触持电流
    0.8 A 恒流输出
    主阴极
    供气
    0.08 mg/s 恒定流率输出
    中和器
    供气
    0.08 mg/s 恒定流率输出
    阳极供气 0.15 mg/s(5 mN)、0.25 mg/s(10 mN) 、
    0.50 mg/s(20 mN)、0.54 mg/s(25 mN)
    不同推力点下
    恒定流率输出
     注:括号内数值表示推力大小。
    下载: 导出CSV

    表  2  2种补偿系数状态下加速栅表面刻蚀深度与小孔直径测量结果

    Table  2.   Measurement results of etching depth and aperture diameter of the accelerator grid surface under two compensation coefficients

    测试方向刻蚀深度与最大刻蚀深度之比小孔直径与最大轮廓直径之比
    δ=0.204%δ=0.407%δ=0.204%δ=0.407%
    1#2#1#2#1#2#1#2#
    水平0.37800.38011.00000.99120.75920.75330.99340.9957
    垂直0.37850.38060.96760.98930.76050.75750.99371.0000
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-28
  • 录用日期:  2024-05-15
  • 网络出版日期:  2024-06-04
  • 整期出版日期:  2026-05-31

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