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多模式离子推力器栅极系统三维粒子模拟仿真
  • ISSN号:1000-3290
  • 期刊名称:Acta Physica Sinica
  • 时间:2014.9.23
  • 页码:-
  • 分类:O441.1[理学—电磁学;理学—物理]
  • 作者机构:[1]西北工业大学,固体火箭发动机燃烧、热结构与内流场国防科技重点实验室,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,大连116024
  • 相关基金:国家自然科学基金(批准号:51276147,11105023,11275034)、中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:3102014KYJD005)、西北工业大学基础研究基金(批准号:NPU-FFR-JC20120201)和工业装备结构分析国家重点实验室开放基金(批准号:GZ1101)资助的课题.
  • 相关项目:微腔放电推进器放电特征的数值模拟及实验研究
中文摘要:

栅极系统是离子推力器推力产生的主要部件,推力器的性能和寿命都与栅极系统密切相关。对于具有多种工作模态的离子推力器,基于电流电压入口的仿真可以有效评估推力器的工作状况。采用三维粒子模拟方法对两栅极系统等离子体输运过程进行了仿真,获得了不同模式下的推力器性能参数,对比NSTAR的在轨测试参数,验证了模型的正确性;分析了工作模式变化对栅极区域电场分布和束流状态的影响以及离子推力器多模式设计需求。分析结果表明:远离栅极系统的外凸型屏栅鞘层和内凹型零等势面、低鞍点电势值和平缓的下游电势分布,有利于提高栅极系统离子通过率,抑制电子返流,减小Pits-and-Grooves腐蚀,是离子推力器工作模式的设计方向;提高束流电压会导致发散角损失增大,但可扩展栅极工作电流范围,在束流强度较大的模式下,使束流具有较好的聚焦状态,有利于减小Barrel腐蚀。研究结果为多模式离子推力器工作模式设计提供了参考。

英文摘要:

The optics is one of the main components of an ion thrust, which influences the performance and thruster lifetime. The operation of ion thruster can be evaluated by numerical simulation based on the current-voltage entrance condition, especially for thruster with a variety of operating modes. The plasma transport process is simulated with 3D-PIC (particle in cell) method for a two-grids optic. The performances of the NSTAR thruster under different operating modes are calculated and compared with the results of in-orbit test, verifying the correctness of the simulation mode. The influences of operation modes on the electric field distribution and the beam state are analyzed, and the requirements of multi-mode design for ion thruster are discussed. The results show that a convex sheath and concave zero equipotential surface away from the optic, low value of “saddle point”, and gentle downstream potential distribution, which help to improve ion pass rate, suppress electronic reflux and reduce Pits-and-Grooves corrosion, are the target of ion thruster mode design. Increasing beam voltage will result in a high loss caused by the divergence angle, and extend the beam current range for a good operation condition. For a large beam current mode, high beam voltage will make the beam have a better“focus”state, and reduce the Barrel corrosion. The results will provide a reference for the operation mode design for the multi-mode ion thruster.

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期刊信息
  • 《物理学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国物理学会 中国科学院物理研究所
  • 主编:欧阳钟灿
  • 地址:北京603信箱(中国科学院物理研究所)
  • 邮编:100190
  • 邮箱:apsoffice@iphy.ac.cn
  • 电话:010-82649026
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-3290
  • 国内统一刊号:ISSN:11-1958/O4
  • 邮发代号:2-425
  • 获奖情况:
  • 1999年首届国家期刊奖,2000年中科院优秀期刊特等奖,2001年科技期刊最高方阵队双高期刊居中国期刊第12位
  • 国内外数据库收录:
  • 美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:49876