留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

10 cm口径发散磁场离子推力器放电模型

孙明明 耿海 胡竟 杨福全 龙建飞

孙明明,耿海,胡竟,等. 10 cm口径发散磁场离子推力器放电模型[J]. 北京航空航天大学学报,2023,49(9):2258-2266 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0648
引用本文: 孙明明,耿海,胡竟,等. 10 cm口径发散磁场离子推力器放电模型[J]. 北京航空航天大学学报,2023,49(9):2258-2266 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0648
SUN M M,GENG H,HU J,et al. Discharge model of divergent magnetic field ion thruster of 10 cm diameter[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2023,49(9):2258-2266 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0648
Citation: SUN M M,GENG H,HU J,et al. Discharge model of divergent magnetic field ion thruster of 10 cm diameter[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2023,49(9):2258-2266 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0648

10 cm口径发散磁场离子推力器放电模型

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0648
基金项目: 国家自然科学基金(61901202);中国博士后科学基金(2019M653906);湖南省教育厅重点项目(19A440);湖南省自然科学基金(2021JJ30564);南华大学博士启动基金(190XQD013)
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:smmhappy@163.com

  • 中图分类号: V439.4

Discharge model of divergent magnetic field ion thruster of 10 cm diameter

Funds: National Natural Science Foundation of China (61901202); China Postdoctoral Science Foundation (2019M653906); Key Projects of the Education Department of Hunan Province (19A440); Hunan Provincial Natural Science Foundation of China (2021JJ30564); Doctoral Startup Fund of University of South China (190XQD013)
More Information
  • 摘要:

    为研究10 cm口径发散磁场离子推力器内部的放电过程并对后续工程改进提供参考,采用COMSOL多物理场耦合软件建立推力器放电模型,获得关键放电参数,并根据试验结果进行验证。模拟结果表明:放电室内部上游磁极和下游磁极之间形成具有强烈发散特性的磁场,并在正交电场的影响下,使电子发生以磁力线为导向中心的霍尔漂移运动;放电室内部气体压强分布均匀且基本在0.1~0.11 Pa范围内,大部分区域的中性原子密度约为1.5×1019 m−3,流体速度在0.2~0.9 m/s的范围内且呈现明显的黏滞流特性;电子密度峰值出现在阴极出口区域,约为8.57×1018 m−3,阳极壁面附近及栅极上游区域的等离子密度约为6.8×1017 m−3。试验结果显示:采用E×B探针测量得到双核离子占总束流离子比为14.1%,根据COMSOL计算值得到的0.353 mA束流理论值与0.323 mA的束流实测值比对误差为9%,误差主要来自于仿真条件设置及试验测量。研究结果可为离子推力器工程化改进提供快速的放电参数分析及优化设计参考。

     

  • 图 1  10 cm口径发散磁场离子推力器及放电室结构示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of structure of 10 cm diameter divergent magnetic field ion thruster and discharge chamber

    图 2  放电室电势分布和磁场分布

    Figure 2.  Electric potential distribution and magnetic field distribution in discharge chamber

    图 3  放电室内部中性流体特性仿真结果

    Figure 3.  Simulation of neutral fluid characteristics inside discharge chamber

    图 4  电子密度和电子温度分布

    Figure 4.  Distribution of electron density and temperature

    图 5  离子推力器试验验证

    Figure 5.  Test verification of ion thruster

    表  1  10 cm口径发散磁场离子推力器20 mN主工况点的工作参数

    Table  1.   Parameters of 10 cm diameter divergent magnetic field ion thruster with 20 mN main work point

    参数数值
    阴极流量/(mg·s−10.08
    阳极流量/(mg·s−10.5
    中和器流量/(mg·s−10.08
    屏栅电势/V1150
    加速栅电势/V−150
    触持电势/V1162
    励磁电流/A0.56
    励磁电势/V1150
    挡板电势/V1150
    上磁极电势/V1150
    下磁极电势/V1150
    阳极电势/V1185
    下载: 导出CSV

    表  2  迁移扩散模块的参数设置

    Table  2.   Parameter setting of drift diffusion module

    参数表达式
    $ k_{1} $$1.99^{-14} T_{\mathrm{e} }^{0.93} \mathrm{e}^{-0.41 / T_{\mathrm{e} } }$
    $ k_{2} $$1.93^{-19} \mathrm{e}^{-11.6 /T_{\rm{e} } } / {\left[T_{\mathrm{e} }^{0.5}\left(8 {e} T_{\mathrm{e} } / {\text{π} } / m_{\mathrm{e} }\right)^{0.5}\right]}$
    $ k_{3} $$10 ^{-20}\left(3.97+0.643T_{\rm{e} }-0.036\;8T_{\rm{e} }^2\right){\rm{e} }^{-12.127/T_{\rm{e} } } \left(8{{e} }T_{\rm{e} }/\text{π}/m_{\rm{e} }\right)^{0.5}$
    $ r_{1} $$k_{1} n_{0} n_{{\rm{e}}}$
    $ r_{2} $$k_{2} n_{0} n_{{\rm{e}}}$
    $r_3$$k_{3} n_{0} n_{{\rm{e}}}$
    $\mu_{\mathrm{e} }$${{e} } /\left[m_{\mathrm{e} }\left(\nu_{\mathrm{en} }+\nu_{\mathrm{ei} }\right)\right]$
    $R_{{\rm{e}}}$$ r_{2}+r_{3} $
    $S_{\mathrm{en} }$$-{{e} }\left(r_{1} d_{ {\rm{e} } 1}+r_{2} d_{ {\rm{e} } 2}+r_{3} d_{ {\rm{e } }3}\right)$
    $\sigma_{\mathrm{en} }$$6.6^{-19}\left(T_{\rm{e} }/ 4-0.1\right) / {\left[1+\left(T_{ {\rm{e} } } / 4\right)^{1.6}\right]}$
    $\ln \mathrm{\varLambda}$$23^{0.5} \ln \left(10^{-6} n_{ {\rm{e} } } / T_{\rm{e} }^{3}\right)$
    $v_{\mathrm{en} }$$\sigma_{ {\rm{en} } }n_0 \left(8 k T _{\rm{e} }/ \text{π}/ m_{\mathrm{e} }\right)^{0.5}$
    $v_{\text {ei } }$$2.9^{-12} n_{\rm{e} } \ln {{\varLambda} } / T_{ {\rm{e} } }^{1.5}$
    de10
    de28.31
    de312.13
    下载: 导出CSV
  • [1] GRAY H, SMITH P, FERN D. Design and development of the UK-10 ion propulsion system: AIAA-1996-3084[R]. Reston: AIAA, 1996.
    [2] BASSNER H, KILLINGER R, MARX M, et al. Ion propulsion for drag compensation of GOCE: AIAA-2000-3417[R]. Reston: AIAA, 2000.
    [3] CORBETT M, EDWARDS C. Thrust control algorithms for the GOCE ion propulsion assembly: IEPC-2007-228[R]. Florence: IEPC, 2007.
    [4] TIGHE G, CHIEN R, SOLIS E, et a1. Performance evaluation of the XIPS-25 cm thruster for application to NASA discovery missions: AIAA-2006-4666[R]. Reston: AIAA, 2006.
    [5] 赵以德, 吴宗海, 张天平, 等. 离子推力器多模式化研究[J]. 推进技术, 2020, 41(1): 187-193. doi: 10.13675/j.cnki.tjjs.190357

    ZHAO Y D, WU Z H, ZHANG T P, et al. Research on multi-mode realization of ion thruster[J]. Journal of Propulsion Technology, 2020, 41(1): 187-193(in Chinese). doi: 10.13675/j.cnki.tjjs.190357
    [6] MILDER N. A survey and evaluation of research on the discharge chamber plasma of a Kaufman thruster: AIAA-1969-494[R]. Reston: AIAA, 1969.
    [7] GOEBEL D. Ion source discharge performance and stability[J]. Physics of Fluids, 1982, 25(6): 1093-1102. doi: 10.1063/1.863842
    [8] BROPHY R, WILBUR P. Calculation of plasma properties in ion sources: AIAA-1985-2006[R]. Reston: AIAA, 1985.
    [9] JAMES A. Particle based plasma simulation for an ion engine discharge chamber[D]. Dayton: Wright State Niversity, 2007: 87-88.
    [10] MILLIGAN D, GABRIEL S. Generation of experimental plasma parameter maps around the baffle aperture of a Kaufman (UK-25) ion thruster[J]. Acta Astronautica, 2009, 64(2): 952-968.
    [11] OZAKI T, KASAI Y, NAKAGAWA T, et al. In-orbit operation of 20 mN class xenon ion engine for ETS-Ⅷ: IEPC-2007-084[R]. Florence: IEPC, 2007.
    [12] OZAKI T, NISHIDA E, KASAI Y, et al. Development status of xenon ion engine subsystem for ETS-Ⅷ: AIAA-2003-2215[R]. Reston: AIAA, 2003.
    [13] 杨福全, 王成飞, 胡竟, 等. 超低轨道卫星应用离子电推进技术方案[J]. 中国空间科学技术, 2021, 1(3): 1-8. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0038

    YANG F Q, WANG C F, HU J, et al. Ion-electric propulsion technology scheme for ultra-low orbit satellites[J]. Chinese Space Science and Technology, 2021, 1(3): 1-8(in Chinese). doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0038
    [14] 杨福全, 胡竟, 郭德洲, 等. LIPS-100离子推力器挡板通道面积优化研究[J]. 真空与低温, 2021, 2(5): 395-399. doi: 10.3969/j.issn.1006-7086.2021.04.013

    YANG F Q, HU J, GUO D Z, et al. Study on optimization of baffle channel area of LIPS-100 ion thruster[J]. Vacuum and Cryogenics, 2021, 2(5): 395-399(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1006-7086.2021.04.013
    [15] 吴辰宸, 顾左. Kaufman型离子推力器束流调节理论与试验研究[J]. 真空科学与技术学报, 2015, 35(11): 1368-1373. doi: 10.13922/j.cnki.cjovst.2015.11.16

    WU C C, GU Z. Theoretical and experimental studies of beam current regulation of Kaufman-type ion thruster[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology, 2015, 35(11): 1368-1373(in Chinese). doi: 10.13922/j.cnki.cjovst.2015.11.16
    [16] 陈娟娟, 张天平, 刘明正, 等. LIPS-200离子推力器放电室原初电子动力学行为的数值模拟研究[J]. 推进技术, 2015, 36(1): 155-160.

    CHEN J J, ZHANG T P, LIU M Z, et al. Investigation on dynamical behavior of primary electrons in LIPS-200 ion thruster discharge chamber[J]. Journal of Propulsion Technology, 2015, 36(1): 155-160(in Chinese).
    [17] 龙建飞, 张天平, 杨威, 等. 离子推力器推力密度特性[J]. 物理学报, 2018, 67(2): 022901. doi: 10.7498/aps.67.20171507

    LONG J F, ZHANG T P, YANG W, et al. Thrust density characteristics of ion thruster[J]. Acta Physica Sinica, 2018, 67(2): 022901(in Chinese). doi: 10.7498/aps.67.20171507
    [18] GOEBEL D, KATZ I. Fundamentals of electric propulsion: Ion and hall thrusters[M]. New York: Wiley, 2005: 142-145.
    [19] CLAUSING P. The flow of highly rarefied gases through tubes of arbitrary length[J]. Journal of Vacuum Science and Technology, 1971, 8(2): 636-646.
    [20] SUM M M, ZHANG T P, WEN X D, et al. Plasma characteristics in the discharge region of a 20 A emission current hollow cathode[J]. Plasma Science and Technology, 2018, 20(1): 025503.
    [21] 孙明明, 张天平, 吴先明. 20 cm离子推力器放电室流场计算模拟[J]. 强激光与粒子束, 2015, 27(5): 054003. doi: 10.11884/HPLPB201527.054003

    SUM M M, ZHANG T P, WU X M. Flow field simulation of 20 cm diameter ion thruster discharge chamber[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27(5): 054003(in Chinese). doi: 10.11884/HPLPB201527.054003
    [22] WIRZ R, KATZ I. Plasma processes of DC ion thruster discharge chambers: AIAA-2005-3690[R]. Reston: AIAA, 2005.
    [23] MILLER J, PULLINS S, LEVANDIER D, et al. Xenon charge exchange cross sections for electrostatic thruster models[J]. Journal of Applied Physics, 2002, 91(3): 984-991. doi: 10.1063/1.1426246
  • 加载中
图(5) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  128
  • HTML全文浏览量:  44
  • PDF下载量:  10
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-10-29
  • 录用日期:  2022-01-07
  • 网络出版日期:  2022-02-14
  • 整期出版日期:  2023-10-01

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答