提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種通過減小屏柵邊緣小孔孔徑消除雙模式離子推力器中束流離子對三柵極系統(tǒng)減速柵邊緣小孔濺射刻蝕的方法.基于30 cm雙模式離子推力器,在小推力高比沖和大推力高功率兩種工作模式下實(shí)驗(yàn)對比研究了屏柵邊緣小孔孔徑對推力器放電損耗、束流平直度和減速柵邊緣小孔刻蝕速率和刻蝕范圍的影響.當(dāng)束流半徑95%外的屏柵小孔孔徑縮小26%后, 30 cm雙模式離子推力器在小推力高比沖模式和大推力高功率模式下放電損耗分別減小10%和21%;束流平直度分別下降3%和10%;減速柵邊緣小孔存在離子濺射刻蝕的小孔排數(shù)由邊緣5排減小到最邊緣1排,刻蝕速率明顯減小,并且當(dāng)工作900 h后最邊緣小孔刻蝕現(xiàn)象也消失.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:減小屏柵邊緣小孔孔徑是一種解決雙模式離子推力器小推力高比沖模式下束流離子對三柵極系統(tǒng)減速柵邊緣小孔濺射刻蝕的有效方法,而且不會降低推力器效率,但是會造成束流均勻性變差. 

【文章來源】：物理學(xué)報(bào). 2020,69(11)北大核心EISCICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

30 cm雙模式離子推力器束流密度徑向分布曲線

對比圖2和圖3不難發(fā)現(xiàn),小孔徑柵相比等孔徑柵,30 cm雙模式離子推力器300 h內(nèi)平均功率和平均放電損耗均減小,與放電損耗影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同,即屏柵邊緣小孔孔徑縮小后雖然使柵極幾何透明度下降,但放電損耗卻降低.在小推力高比沖和大推力高功率兩種工作模式下,300 h內(nèi)平均功耗分別減小0.22%和0.25%,平均放電損耗分別減小7.14%和7.45%.這里功耗相比放電損耗減小并不明顯是因?yàn)?一方面中高功率離子推力器總功率中放電功率占比較低;另一方面是因?yàn)樵谛】讖綎艑?shí)驗(yàn)時(shí)對PPU閉環(huán)控制束流進(jìn)行了調(diào)大處理,束功耗增加,造成相應(yīng)總功耗增加.圖4給出了裝配等孔徑柵和小孔徑柵的離子推力器分別在小推力高比沖模式累計(jì)工作300 h后和大推力高功率模式再工作300 h總共累計(jì)600 h后,減速柵邊緣下游表面照片.由圖4可見,等孔徑柵在工作300 h后,減速柵邊緣5排小孔孔徑存在不同程度的呈六邊形狀增大,其中最邊緣小孔孔徑增大最為明顯.然而,小孔徑柵推力器工作300 h和600 h后減速柵除最邊緣小孔外其余小孔孔徑無可見變化.

為了對減速柵小孔刻蝕情況進(jìn)行定量評價(jià),分別在磨損實(shí)驗(yàn)前、300 h實(shí)驗(yàn)后和600 h實(shí)驗(yàn)后對不同柵極半徑處減速柵小孔孔徑采用三維光學(xué)輪廓儀進(jìn)行了測量.測量時(shí)在減速柵下游表面測量小孔邊上均布確定8個(gè)點(diǎn),然后通過輪廓儀軟件擬合成圓得到小孔直徑.圖5給出了裝配等孔徑柵和小孔徑柵的30 cm雙模式離子推力器分別在小推力高比沖模式累計(jì)工作300 h和大推力高功率模式再工作300 h總共累計(jì)600 h后減速柵不同半徑處小孔平均孔徑相對磨損實(shí)驗(yàn)前的相對變化情況由圖5可知,等孔徑柵在小推力高比沖模式工作300 h后最邊緣小孔孔徑增大8.4%,再在大推力高功率模式工作300 h后最邊緣小孔孔徑增量達(dá)到13.6%.小孔徑柵工作300 h后減速柵最邊緣小孔孔徑增大6%,600 h后相對增大至7.4%.并且后期壽命實(shí)驗(yàn)顯示,小孔徑柵最邊緣小孔刻蝕隨工作時(shí)間增加,逐步減緩,累計(jì)900 h時(shí)不再刻蝕.采取小孔徑柵后,減速柵最邊緣的小孔仍然存在刻蝕是由小孔周圍非對稱結(jié)構(gòu)造成小孔鞘層扭曲導(dǎo)致的[21],同NEXT推力器壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)相同[23].對比等孔徑柵和小孔徑柵短期磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)減速柵邊緣小孔刻蝕主要發(fā)生在小推力高比沖模式,屏柵邊緣小孔孔徑縮小后除最邊緣小孔外其他小孔刻蝕消失,且最邊緣小孔刻蝕至一定程度后將不再刻蝕.因此,縮小屏柵邊緣小孔孔徑是解決雙模式離子推力器減速柵邊緣小孔刻蝕問題,實(shí)現(xiàn)推力器長壽命的一條有效途徑.

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]離子推力器多模式化研究[J]. 趙以德,吳宗海,張?zhí)炱?耿海,李娟,李建鵬,孫小菁,楊浩.  推進(jìn)技術(shù). 2020(01)
[2]中國電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展及展望[J]. 于達(dá)仁,喬磊,蔣文嘉,劉輝.  推進(jìn)技術(shù). 2020(01)
[3]40cm離子推力器功率寬范圍工作實(shí)驗(yàn)研究[J]. 趙以德,張?zhí)炱?黃永杰,孫小菁,孫運(yùn)奎,李娟,楊福全,池秀芬.  推進(jìn)技術(shù). 2018(04)
[4]離子推力器柵極透過率徑向分布特性研究[J]. 龍建飛,張?zhí)炱?李娟,賈艷輝.  物理學(xué)報(bào). 2017(16)
[5]離子推力器三柵極系統(tǒng)的3維PIC仿真[J]. 陳茂林,夏廣慶,楊正巖,張斌,徐宗琦,毛根旺.  高電壓技術(shù). 2014(10)
[6]多模式離子推力器柵極系統(tǒng)三維粒子模擬仿真[J]. 陳茂林,夏廣慶,毛根旺.  物理學(xué)報(bào). 2014(18)
[7]離子推力器欠聚焦沖擊電流的數(shù)值模擬[J]. 李娟,劉洋,楚豫川,曹勇.  推進(jìn)技術(shù). 2011(06)
[8]離子發(fā)動機(jī)柵極系統(tǒng)中束流離子的三維模擬[J]. 鐘凌偉,劉宇,任軍學(xué),仇釬.  航空動力學(xué)報(bào). 2010(09)



本文編號：3305126