电子轰击式离子推力器放电腔结构对等离子体特性影响的全粒子仿真研究

孙安邦,闫涵,李昊霖

(西安交通大学电气工程学院,710049,西安)

电推力器主要应用于深空探测器、通信卫星及空间科学实验等方面[1],其中离子推力器因比冲高、寿命长、控制精度高等优点受到重视,被广泛应用于航天工程中。放电腔是电子轰击式离子推力器产生并引出等离子体的关键部件,其结构是决定离子生成效率、均匀性、单一性的关键,并对推力器的推力、比冲、效率和寿命有着重要影响[2]。放电腔内产生等离子体的过程是:空心阴极发射高能初始电子与推进剂中性粒子发生碰撞电离,生成等离子体,等离子体中的离子通过电场加速向放电腔出口运动并被引出到栅极,其结构如图1所示。在放电腔设计中需要考虑到工质气体进气口位置以及空心阴极位置这些结构参数。调整进气口位置可以改变工质气体在腔内的运动路程,进而改变主要发生碰撞电离的区域,影响电离率;空心阴极的长度会影响腔内电子分布以及离子的回流程度,改变引出离子的分布以及效率。离子光学系统的运行对等离子体密度有着一定的要求,离子均匀性会显著影响栅极寿命[3]。因此,需要进一步开展相关研究来分析不同因素对放电腔等离子体特性的影响。

图1 电子轰击式离子推力器放电腔结构示意图

由于放电腔体的封闭结构给实验测量带来了一定的局限性和困难,为了研究放电腔内的电离过程和引出机理,近年来科研人员开展了大量的数值模拟工作。……