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《推进技术》亮点推荐航空航天学院电推进综述论文
2022-04-30 14:50  


   


目录

 

01

研究背景


 

02

论文创新点


 

03

总结与展望



04

团队介绍


图片        

05

近几年论文


研究背景

     传统考夫曼型离子推力器是目前电推力器中比冲、效率和使用寿命最高的电推进之一,也是应用最广泛的电推进之一。随着航天任务的扩展以及卫星性能的提高,更高性能的考夫曼型离子推力器被相继提出。在这些新型推力器的研发过程中,数值模拟的重要性越加凸显,有效的数值模拟工具将极大的缩短其研发周期、降低研发成本。  

论文创新点

     鉴于数值模拟的重要性,本文重点介绍了考夫曼型离子推力器放电室数值模拟相关研究进展,以期为离子推力器数值模拟技术的发展提供参考。本文主要具有如下参考价值:
     1)分析了影响推力器放电性能的关键因素。随着尺寸、结构的变化,等离子体密度过低、电离困难等问题严重制约了其发展。其中,等离子体分布均匀性差是导致这些问题的关键因素之一。
     2)综述了放电室零维模型现状。零维模型的求解方法相对比较简单,也比较高效。但是,零维模型仅能得到预估宏观物理量的平均值。所以,采用零维模型无法用于研究放电室内等离子体的分布特性。
     3)综述了放电室二维模型现状。从仿真算法角度区分,二维模型主要包括基于缩放算法的全粒子模型和粒子流体混合模型。其中,全粒子模型计算量大,但在计算精度方面具有优势,适用于分析放电室中的物理过程;而混合模型在计算效率方面具备较大优势,适用于推力器参数的优化设计。目前,二维模型仅适用于轴对称结构的推力器。
     4)综述了放电室三维模型现状。基于粒子流体混合算法,作者提出了放电室三维解耦迭代模型,通过对控制方程解耦,显著提高了计算速度,并创新性的结合浸入式有限元算法显著提高了复杂边界条件的求解精度及效率。该模型可有效解决非轴对称推力器的设计优化问题。

总结与展望

     经过近半个世纪的发展,研究人员提出了各种放电室仿真模型,主要分为零维模型、二维模型和三维模型。其中,零维模型计算效率最高,但计算精度低,二维模型和三维模型的计算精度和效率与所选取的数值算法相关,但从适用性角度看,二维模型仅适用于轴对称结构,而三维模型适用于轴对称或非轴对称结构。

     由于模拟算法是决定仿真模型性能的关键因素,因此对模拟算法进行如下展望:(1)对于全粒子模型,建议结合隐格式宏粒子算法进一步加速计算收敛。(2)对于混合算法,主要考虑以下改进方向:建立兼具仿真效率和精度的工质原子三维仿真模型;建立更高效的处理等离子体各向异性界面问题的求解方法;建立更完备的高维度磁流体方程。

团队介绍

     大连理工大学航空航天学院微纳卫星与先进推进技术研究团队持续开展了电推进技术的应用基础研究,针对多种电推进开发了多个高效率、高精度的数值仿真软件,包括针对传统考夫曼型离子推力器和环型离子推力器放电室优化设计的三维混合算法仿真软件;针对离子推力器阴极和栅极腐蚀的三维浸入式有限元和粒子云仿真软件等。与兰州空间技术物理研究所电推进事业部长期合作开展LIPS200、LIPS300、环型离子推力器等多种离子推力器数值模拟研究,相关成果应用于兰州空间技术物理研究所研制的多款离子推力器,缩短了研究周期,有效支撑了国家重点型号任务研制。

近几年论文

[1] 夏广庆, 鹿畅, 孙斌, 韩亚杰. 电推进加速技术现状及展望[J].宇航学报, 2022, 43(02): 143-157.  

[2] 鹿畅, 曹勇, 夏广庆. 离子推力器双阶栅极系统引出性能研究[J].推进技术, 2022, 43(03): 392-398.

[3] 鹿畅, 夏广庆, 韩亚杰, 关思琦. 碳纳米管阵列推力器放电特性的数值模拟研究[J].宇航学报, 2021, 42(05):634-641.

[4] Lu Chang, Xia Guangqing, Sun Bin, and Han Yajie. A particle model of ion thruster plume Mo source based on grid erosion[J]. Acta Astronautica, 2020,177, 217–231.

[5] Lu Chang, Wan Jie, Cao Yong, and He Xiaoming. A fully decoupled iterative method with three-dimensional anisotropic immersed finite elements for Kaufman type discharge problems[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2020, 372, 113345.

[6] Lu Chang, Xia Guangqing, Sun Bin, and Han Yajie. Confinement characteristic of primary electrons with the variation of channel width in the discharge chamber of annular ion thruster[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2021, 34, 79–92.

[7] Lu Chang, Yang Zhi, Bai Jinwei, Cao Yong, and He Xiaoming. Three-dimensional immersed finite element method for anisotropic magnetostatic/electrostatic interface problems with nonhomogeneous flux jump[J]. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2020, 121, 2107–2127.

[8] Lu Chang, Zhang Tianping, Qiu Pei, Chen Juanjuan, Cao Yong, Zheng Liang. Barrel erosion of ion thruster accelerator grid under different operating conditions[J]. IEEE Transactions on Plasma Science , 2018;46(12):4065–77.

[9] Lu Chang, Zhao Yide, Wan Jie, Chu Yuchuan, Zheng Liang, Cao Yong. Influence of the decelerator grid on the optical performance of the ion thruster[J]. International Journal of Aerospace Engineering , 2019;2019(2):1–11.

[10] Lu Chang, Luo Yang, Xia Guangqing, Gao Hui, Xu Nuo. Numerical study of the grid erosion of field emission electric propulsion[J]. Plasma Science and Technology, 2021, 23(10):104001

引用格式


鹿 畅,夏广庆,张军军,等. 考夫曼离子推力器放电室数值模拟研究综述及展望[J]. 推进技术,2022,43(6):201004. (LU Chang,XIA Guang-qing,ZHANG Jun-jun,et al. Review and Prospect of Numerical Simulation for Discharge Chamber of Kaufman Ion Thruster[J]. Journal of Propulsion Technology,2022,43(6):201004.)



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