吸收与注入推进剂对射频放电等离子体的影响特性gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

兴趣螺旋形等离子体推进器的结果缺乏许多lifetime-limiting组件所需的其他推进器架构(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。离子加速quasi-neutral羽的螺旋推进器消除偏见网格容易受到侵蚀的必要性以及梁中和设备(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。赫利孔山离子推进器的预期寿命较长,相比传统的网格离子推进器,鼓励广泛的研究致力于他们的发展。为了评估螺旋形等离子体推进器的可行性替代网格离子推进器,推力的一代必须估计。赫利孔山离子推进器理论产生推力,加速离子在自然形成电位降推进器出口附近的飞机。退出离子动量转移到磁场导致加速度。测量产生的力在推进器操作可以实现通过直接推力测量但要求推进器是沉浸在一个真空的环境。发表的很大一部分离子推进器文学理论提出了推力计算的直接推力测量当推进器安装外部设施,疲惫到真空环境中(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)或验证推力测量记录少用传统方法(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。理论推力计算利用实验测定等离子体羽流特性来估计推力(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba),但这些属性是设施影响背景压力(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

与在操作空间,疲惫的推进剂原子在真空测试设备可以自由旅行回到推进器出口平面,中性原子可以电离和加速当地潜在差异由于有限的抽真空设备的速度(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。这个人工增加可用推进剂在推力器放电室由于循环推进剂称为中性的摄入。这种行为导致膨胀推力值等其他电力推进装置的霍尔效应推力器(HET) [gydF4y2Ba11gydF4y2Ba),最近的一个调查机构的影响背景压力诱导中性摄入对射频放电性能揭示等离子体特性的变化,直接导致计算推力的大小(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。而物理驱动这些变化依赖于人口的增加中性原子,这些原子的依赖原点尚不清楚。特别是,我们试图理解在推力器羽流特性测量是否在高中性摄入流速可以复制推进器操作期间中性摄入低流量环境中通过增加相应提供的推进剂流量。gydF4y2Ba

本研究将决定等离子体特性测量在推进器操作设施压力,对应于高中性摄入流速与等离子体属性以降低环境压力较低的中性摄入流速但相应地提高推进器燃料流率。这样,中性原子进入源区的推进器被普遍不管他们的起源(摄入比提供)的平均自由路径等离子核心是如此之低,中性原子穿过neutral-plasma边界可以认为是电离(gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]。中性原子是否达到源地区(如果摄入)或导致观察到的性能,由于电离或电荷交换,是本研究的一个结果。由于流行使用等离子体羽流属性测量来确定螺旋离子推进器的推力功能的直接推力测量,了解羽流特性的差异由于推进剂发放(摄入比注射)是至关重要的。的背景压力范围的设施这些等离子体羽流属性记录和决心的推进器性能计算高设施是否中立的摄入率仍高的压力预测等更多的空间环境中操作,只要整体可用推进剂推力器放电室维护是至关重要的。gydF4y2Ba

麦迪逊赫利孔山实验(MadHeX)架构选择是由于现有文献,文件操作在所有三个射频耦合模式和相关的等离子体的性质问题研究[gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba13gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba17gydF4y2Ba]。在这项研究中,应该注意的是,MadHeX副本并不在赫利孔山运营模式。然而,等离子体特性的变化得出的结论为螺旋形离子推进器操作受中性摄入和增加推进器流率仍然有效。尽管中性摄入影响与射频耦合模式和附属等离子体密度,下游碰撞理论物理的羽流,导致这些影响仍然存在gydF4y2Ba18gydF4y2Ba]。MadHeX副本在容性耦合模式功率所显示,磁场强度用于其操作(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。也证实了这种操作方式的缺失一个不连续的增加离子数密度射频耦合模式过渡的特征由于推进剂流量的变化gydF4y2Ba19gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

材料和方法gydF4y2Ba

为了评估推力器性能的差异由于摄入与提供的推进剂流量,等离子体的属性标准2厘米的名义操作条件gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟氩推进剂体积流量的复制品MadHeX受到3.8厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟氩摄入体积流量测量。这个测试环境被称为“高压”条件和相应的操作压力为3.0×10gydF4y2Ba^{−4gydF4y2Ba}托纠正氩。等离子体推进器操作属性然后测量的最大氩摄入流量0.8厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟为一个提供氩推进剂流量1.3 - -60标准厘米的范围gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟。0.8厘米的测试环境gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟氩摄入流量被称为“低压”条件操作压力为1.2×10gydF4y2Ba^{−5gydF4y2Ba}托纠正氩。等离子体特性考虑包括离子速度分布函数(IVDF)和最可能的电压测量减速电位分析仪(战),等离子体潜在的测量使用射频(RF)补偿发射探测器,和电子温度和离子数密度测量RF-compensated,平面阀瓣朗缪尔探针。这些等离子体属性选择因为他们影响磁推力值计算喷嘴(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,由于他们对中性摄入影响(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。扩展描述的推进器和实验设置,包括显式探针尺寸,请参考[gydF4y2Ba17gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

所有的等离子体羽流特性测量报告在这工作压力条件下被记录在出口处MadHeX副本位于面~ 60厘米距离下游射频天线的边缘。350年名义磁场强度条件的高斯源地区测量磁场强度在出口处飞机使用Gausemeter < 50高斯。这种行为同意操作观察到威斯康星大学麦迪逊分校(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba16gydF4y2Ba),确认使用磁场模拟使用Infolytica磁铁商业软件。在出口处平面、电子和离子被认为是non-magnetized。gydF4y2Ba

麦迪逊赫利孔山实验复制gydF4y2Ba

出口平面等离子体特性研究工作来自MadHeX副本的操作100±5 W射频功率和轴向磁场强度340 G来源地区。MadHeX架构是一个six-solenoid射频螺旋形等离子体源最大镜比为1.44时的推进器的设计最大轴向磁场强度磁1000 G和700 G的喷嘴和源地区,分别。图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba显示主MadHeX组件。每一个电磁线圈由500转的铜线。螺线管间距为沿着10 cm-diameter Pyrex放电室详细(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。射频功率广播从挥挥手,双螺旋天线位于60厘米上游的推进器退出第二个和第三个电磁线圈之间的飞机。gydF4y2Ba

MadHeX出口平面位于~ 0.75 m径向远离设施侧壁如图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba从后面和~ 4.1 m设施墙或3.5米的距离石墨梁转储。在操作期间,美联储MadHeX副本是高纯氩(99.9995%)推进剂通过不锈钢接头锁紧螺母管有3厘米长在上游放电室进口尼龙软管连接器。推进剂流是由MKS 1179质量流量控制器的不确定性~ 4 - 7% (gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

13.56 MHz射频信号广播从铜棒,挥挥手双螺旋结构天线测量直径13厘米,长18厘米第二和第三个电磁线圈之间的定位。驻波比为1.05或更少维护推进器操作期间对所有测量提出了工作的不确定性±0.05。射频网络的完整描述,包括电缆和硬件,以及测量的不确定性和线路损失,可以发现在gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

真空试验Facility-1gydF4y2Ba

MadHeX副本的特点是内部真空测试设备1在乔治亚理工学院(VTF-1)。VTF-1措施直径7米长,4米。VTF-1内压力测量使用externally-mounted安捷伦英航571热灯丝电离计由一个安捷伦xg - 600计控制器控制的压力测量的不确定性+ 20 (−10%gydF4y2Ba21gydF4y2Ba]。操作压力提出了纠正氩气。骑自行车在诊断完成使用双轴帕克千变万化的406 xr精密直线运动阶段系统的不确定性±159μm /运动阶段。gydF4y2Ba

达到“高压”状态或“低压”条件,首先疏散到温和的真空设备(0.03托)由两个3800立方英尺每分钟(CFM)鼓风机和两个495 CFM旋片泵。达到“高压”条件(3×10gydF4y2Ba^{−4gydF4y2Ba}从0.03托托纠正氩)压力环境,鼓风机叶轮式泵关闭,和爱德华兹STPXA3203涡轮分子泵的抽速3200 l / s氮操作。一个爱德华兹GV80干滚动泵的最大抽速64.6 CFM是涡轮分子泵的前级泵。gydF4y2Ba

达到“低压”条件(1.2×10gydF4y2Ba^{−5gydF4y2Ba}托纠正氩)0.03托压力环境,六NRC / CVC瓦里安hs48 - 95000分馏与铜挡板扩散泵冷却三个Polycold快周期水蒸气低温泵运行在HC 1100制冷剂操作除了上述粗泵。总扩散泵配置的有效抽速125000 l / s氩气(gydF4y2Ba22gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

Radio-Frequency-Compensated发射探测器gydF4y2Ba

测量等离子体可能使用一个84厘米长,发射,RF-compensated放射性探针敷钍钨金属探针顶端弯成一个0.127毫米直径的循环。调查的细节特征和射频补偿电路中可以找到gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。调查方向垂直于散装等离子体流和磁场推荐(gydF4y2Ba23gydF4y2Ba]。钨探针尖端的平面循环取向平行于推进器退出飞机允许气流通过等离子体推进器(退出循环gydF4y2Ba23gydF4y2Ba]。硬件用于偏见发射探头和收集详细的电流-电压曲线(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

等离子体的潜在决定收集到的电流-电压曲线拐点法如卡鲁索(所述gydF4y2Ba17gydF4y2Ba),希恩和那gydF4y2Ba24gydF4y2Ba],Demidov et al。gydF4y2Ba25gydF4y2Ba]。不确定性与使用拐点的方法来确定等离子体在±的顺序gydF4y2BaTgydF4y2Ba_egydF4y2Ba/ 10。发射探头尖端加热提高产生的等离子体潜在测量由于探测器电路的电压降1 V。固有误差和限制电源操作和数据采集仪器引入了额外的0.03%的不确定性记录值(gydF4y2Ba26gydF4y2Ba,gydF4y2Ba27gydF4y2Ba]。错误由于当地回归(黄土)平滑中执行原始的电流-电压曲线属于拐点的错误方法,被认为是微不足道的。gydF4y2Ba

减速电位分析仪gydF4y2Ba

离子速度分布函数(IVDF)是衡量使用four-grid战描述在徐gydF4y2Ba28gydF4y2Ba]。从等离子体网格到收集器的顺序是:浮动,电子斥力,离子排斥、电子压制,和一个收集器。收集器是固体铜0.8毫米厚,直径3.15厘米(gydF4y2Ba22gydF4y2Ba]。前面的四个区域电网收集器是由316不锈钢、203μm厚,直径3.15厘米的物理网格的透明度为31%。每个网格的网格模式与相邻网格,以实现整个战开放网格面积31%。浮动网格面临的开口端螺旋战测量离子推进器。战的底盘依然电浮在操作过程中除了前面的网格。硬件操作使用狙击枪和收集的电流-电压曲线分析详细gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。数据收集之前,战偏见方案优化通过调整单独电子排斥和抑制电网的潜力最大化收集电流。gydF4y2Ba

未修正的最可能的电压相对应的离子排斥网格的偏置电压的最大电流-电压曲线导数在收集器记录。这个值对应于离子的相对速度人口排气羽流。可以改变这个值减去发射探测器产生的等离子体潜在测量修正后的最可能的电压、绝对速度值相比更容易表现不同的推进器。由于计算误差的差异之间的等离子体的潜在发射探头和测量方法确定最可能的电压从IVDF纠正和未调整的最可能的电压都是在这项研究中提出的。相关的错误估计最可能电压(未修正的等离子体潜在)分析方法~±4% (gydF4y2Ba22gydF4y2Ba]。固有误差和限制电源操作和数据采集仪器引入了额外的0.03%的不确定性记录值(gydF4y2Ba26gydF4y2Ba,gydF4y2Ba27gydF4y2Ba]。错误由于黄土平滑原始电流-电压曲线属于错误分析方法的狙击枪,被认为是微不足道的。gydF4y2Ba

Radio-Frequency-Compensated朗缪尔探针gydF4y2Ba

电子温度和离子数密度计算的电流-电压曲线收购一个RF-compensated朗缪尔探针放置在飞机出口。朗缪尔探针使用84厘米长的身体发射探测器,但取代了探针尖圆形,平面钨探针尖端直径7.62毫米(gydF4y2BadgydF4y2Ba_LPgydF4y2Ba)。射频补偿电路已经先前描述的卡鲁索和沃克(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。面向探测器的轴线垂直于散装推进剂流和磁场的平面探头尖端盘退出平行平面指示(gydF4y2Ba25gydF4y2Ba]。电源和采集硬件,以及相关的不确定性,RF-compensated朗缪尔探针卡鲁索和沃克描述(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

一个指数适合应用于电子缺陷区域的电子电流曲线来确定电子温度gydF4y2BaTgydF4y2Ba_egydF4y2Ba(电动汽车)。点附近浮动潜在的数量增加减去总离子贡献探针电流。假设离子电流电压和的平方根成正比探测器使用线性估计适合描述在陈gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba]。离子电流减去总探针电流收集生成曲线的电子电流(gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_egydF4y2Ba)作为探针电压的函数gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba]。电子温度是决定使用方程(1)gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_egydF4y2Ba指数拟合方程与探测器偏压gydF4y2BaVgydF4y2Ba_PBgydF4y2Ba如詹姆逊所述[gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba]。为了防止高估的电子温度在缺乏补偿电极探针尖端,指数适合应用于电子缺陷的部分地区最接近浮潜在的和有限的只有最负线性对数尺度区域的电子电流电压跟踪(gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba]。氩等离子体的离子数密度计算使用方程(2)对于一个给定的探针针尖在米直径,电动车的电子温度和离子饱和电流(gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_是gydF4y2Ba在安培)gydF4y2Ba32gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba

使用方程(2)假设离子数密度和电子温度与0.6体积值校正因子占减少离子密度presheath以及电子温度的变化(gydF4y2Ba32gydF4y2Ba,gydF4y2Ba33gydF4y2Ba]。在低密度等离子体中,收集面积可能超过探测器由几个因素的大小(gydF4y2Ba34gydF4y2Ba,gydF4y2Ba35gydF4y2Ba]。占有效收集面积的增加,不确定性的下界离子数密度增加25%,占增加收集区域的平面探头尖端区域的4倍。离子饱和电流计算的平均电流从5到50 V以下所有当前值浮动电位(gydF4y2Ba36gydF4y2Ba]。使用这种方法计算电子温度的不确定性是±0.8 eV最大的“低压”条件,达到±0.2 eV“高压”条件;标准不确定度的计算离子数密度[±50%gydF4y2Ba36gydF4y2Ba)和较低的延伸不确定性必定−75%。固有误差和限制电源操作和数据采集仪器引入了额外的0.03%的不确定性记录值(gydF4y2Ba26gydF4y2Ba,gydF4y2Ba27gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

结果gydF4y2Ba

的IVDF名义或“高压”条件(高P) 2厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟体积流率,如图gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,最有可能的电压(Vmp) 18.3 V(±4.03%)纠正(Vmp, corr)到14.1 V (±4.03%±1 V)在推进器退出平面如图gydF4y2Ba4gydF4y2Ba。IVDFs记录在操作“低压”状态(低P)的体积流率从1.3到60厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟图所示gydF4y2Ba3 bgydF4y2Ba通过图gydF4y2Ba3 dgydF4y2Ba转向最可能低电压(Vmp)提供氩流量增加。最可能的108 V电压范围从最高1.3厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟至少27 V在60厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟提供氩体积流量。修正最可能电压(Vmp, corr)范围从最高52.3 V在4厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟的最低12.8 V 30厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟操作条件。等离子体势流率在40厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟以上都假定等于~ 0 V由于负面记录等离子体发射探测器由negative-sheath潜力值影响发射期间(gydF4y2Ba37gydF4y2Ba]。等离子体势是绘制在图gydF4y2Ba4gydF4y2Ba对于压力条件与结果为代表的“高压”条件水平,灰色线条。gydF4y2Ba

数据gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba分别比较了电子温度和离子数密度之间的压力条件。电子温度测量在推进器操作在“低压”条件(Te(低P))如图gydF4y2Ba5gydF4y2Ba减少从7.3 eV (±0.8 eV) 2厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟氩体积流率1.0 eV (±0.3 eV) 60厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟氩体积流量。电子温度的“高压”条件(Te(高P))是1.7 eV (±0.2 eV)由厚厚的灰线在图表示gydF4y2Ba5gydF4y2Ba。离子数密度在“低压”条件(ni(低P))是一个最多10厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟操作条件值为3.5×10gydF4y2Ba^14gydF4y2Ba离子/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba如图gydF4y2Ba6gydF4y2Ba。10厘米以上的gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟,离子数密度的渐近方法~ 1.4×10的最终值gydF4y2Ba^14gydF4y2Ba离子/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba在60厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟。离子数密度在“高压”条件(ni(高P))是1.4×10gydF4y2Ba^14gydF4y2Ba离子/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba(+ 50% /−75%)由灰色的细线在图gydF4y2Ba6gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

讨论gydF4y2Ba

出口平面等离子体特性之间的比较“低压”条件的操作提供氩体积流率1.3 -60厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟,在2厘米的“高压”条件gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟提供氩体积流量。当考虑所有可用的数据记录,没有个人提供流量“低压”条件复制所有的等离子体属性值记录在“高压”的名义流量条件。等离子体特性无法被复制在一个调整流量的“低压”条件是影响中性的不同大小的结果摄入影响个人羽流特性。等离子体羽流特性的变化将改变中立的摄入和提供推进剂用碰撞理论评估。这种方法被认为是有效的物理兴趣发生在下游地区(从下游的天线60厘米),不应受轴向变化由于当地电离物理源地区(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba]。增加推进剂流量的影响由于中性摄入和影响这些原子对感兴趣的属性在深度在以下部分中讨论。gydF4y2Ba

离子束速度和碰撞频率gydF4y2Ba

在先前的研究中性摄入对离子束行为的影响(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba),人口加速离子在观察“低压”条件获得动能,离子加速下降沿潜在的下游方向主要推进器轴。这种行为与增加的趋势最可能电压随着下游推进器出口平面的距离。“高压”条件,观察离子能量减少而增加下游出口平面的距离由于能量损失与加速离子之间的碰撞增加关联人口和其他羽物种。结果(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba)通知类型的碰撞的决定在这个研究需要考虑。主碰撞类型评估在这项研究包括梁之间的电荷交换碰撞离子和中性氩原子,摄入梁碰撞动量交换离子和中性氩原子,摄入和碰撞电离电子和摄取中性氩原子。电离碰撞将被视为部分离子生产。gydF4y2Ba

电荷交换碰撞时的快离子加速离子与中性原子碰撞导致缓慢的形成离子和中性原子。方程(3)中描述这个反应,发生接近和下游的出口飞机导致减少离子能量(gydF4y2Ba38gydF4y2Ba)操作期间观察中性摄入更高流速(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。梁的动量交换也碰撞导致减少离子能量由于碰撞与其他羽物种。梁碰撞动量交换离子和中性原子摄入特别感兴趣的是他们导致整体净减少离子束的能量。gydF4y2Ba

为了量化寄生效应的大小离子束的能量碰撞,碰撞频率的电荷交换和动量交换碰撞计算使用方程(4),碰撞频率(ν)是一个函数的离子束速度(gydF4y2Ba$\stackrel{¯gydF4y2Ba}{{\mathrm{vgydF4y2Ba}}_{\mathrm{bgydF4y2Ba}\mathrm{egydF4y2Ba}\mathrm{一个gydF4y2Ba}\mathrm{米gydF4y2Ba}}}$)计算方程(5)和相应的平均自由程(λ)计算使用方程(6)。离子束速度是一个函数的修正最可能电压(最可能的差异电压(gydF4y2BaVgydF4y2Ba_{国会议员gydF4y2Ba})和等离子体势(gydF4y2BaVgydF4y2Ba_pgydF4y2Ba)]和氩质量公斤。gydF4y2Ba

为每个碰撞平均自由路径类型是中性氩数密度的函数(gydF4y2BangydF4y2Ba_ngydF4y2Ba)计算使用方程(7)和碰撞截面(σ)。在这项工作中,σ= 7×10gydF4y2Ba^{−19gydF4y2Ba}米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba对离子能量100 eV电荷转移碰撞和σ= 1×10gydF4y2Ba^{−18gydF4y2Ba}米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba动量交换碰撞(gydF4y2Ba39gydF4y2Ba]。中性的数密度是代表摄入中性氩人口为每个压力条件和对应于摄入体积流速确定使用方程(8)。gydF4y2Ba

中性摄入体积流率对压力条件和相应的中性密度数量显示在表中gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。中性摄入体积流率(gydF4y2Ba问gydF4y2Ba_{摄入gydF4y2Ba})与氩的分压增加(gydF4y2BaPgydF4y2Ba_氩gydF4y2Ba)在托、推进器的面积(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)和推进器的电导区域(ηgydF4y2Ba_cgydF4y2Ba)。MadHeX副本,出口平面面积是0.0079米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba电导是假定为1。摄取中性温度(gydF4y2BaTgydF4y2Ba_ngydF4y2Ba)被认为是298 K代表最大可能摄入中性氩流量。氩推进剂的质量(gydF4y2Ba米gydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}39.948)是阿姆河。gydF4y2Ba

为每个增加氩体积流量,操作燃烧室压力预计将增加。而整体的压力增加3.0×10gydF4y2Ba^{−6gydF4y2Ba}托观察整个供应燃料体积流率1.3 -60厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟,压力增加仍低于整个测试活动压力波动和在与压力相关的总体30%的误差测量与安捷伦英航571热灯丝II.B章节中讨论电离真空计。出于这个原因,平均自由路径相关摄取氩中性色为每个碰撞类型见表gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,被认为是在全方位的变化可以忽略测试条件“低压”条件。gydF4y2Ba

离子束速度图所示gydF4y2Ba7gydF4y2Ba在“低压”条件的范围从2.8 ~ 7.6公里/秒速度大于8.3公里/秒梁在“高压”条件由于更高的离子能量前面讨论除了30厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟。虽然等离子体可能在30厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟情况下是15.5 V > 0 V,最后发现在等离子体势成为负由于negative-sheath效应在探针尖端发射正如前面章节中讨论的结果。如果30厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟案例也认为经验negative-sheath效果和的值为0 V是代入方程(5)gydF4y2BaVgydF4y2Ba_pgydF4y2Ba离子束速度增加,最终值为11.7公里/秒哪个更符合观察梁速度趋势“低压”条件。gydF4y2Ba

尽管持续高束速度图中所示的“低压”条件gydF4y2Ba7gydF4y2Ba当用11.7公里/秒速度为30厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟情况下前面所讨论的,电荷交换碰撞频率(CEX)和动量交换碰撞频率(墨西哥人)“高压”条件(高P) 2厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟情况如图gydF4y2Ba8gydF4y2Ba远远超过所有碰撞频率在氩提供的全方位的体积流率的“低压”状态(低P)。电荷交换和动量交换碰撞之间的“高压”条件发生2.5和5倍对应的碰撞类型“低压”条件。从方程(4),我们可以得出这样的结论:显著降低平均自由路径的碰撞类型在“高压”条件,造成摄入的数量级差异中性氩原子数密度之间的两个压力条件下,管理产生更高的碰撞频率的“高压”条件。计算误差与碰撞频率包括离子计示压力测量的不确定性和战错误。gydF4y2Ba

寄生梁之间的碰撞,如电荷交换和动量交换离子和中性原子摄入减少整体能量离子束加速。同时提供氩体积流率的增加会减少梁速度与流量增加“低压”条件下,摄取的影响中性氩原子数密度最小的是由于足够室抽速维持平均自由路径引用表gydF4y2Ba2gydF4y2Ba这远远超过推进器的长度尺度。这个结果在一个相对恒定中性摄入数密度,收益率相对恒定的平均自由路径束离子电荷交换和动量交换之间的碰撞。尽管减少梁的速度观察到更高的体积流率“低压”条件,排除30厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟情况下,梁速度从未下降到8.3公里/秒观察到“高压”条件。虽然少,氩推进剂在“高压”条件提供电荷交换和动量交换碰撞的频率更大,减少离子束的能量由于显著缩短平均自由路径对应于高摄入中立的数密度。增加提供的推进剂流量较低的环境压力并不相同比例导致离子束能量损失观察操作期间在更高的环境压力由于摄入的影响中性数密度在推进器出口附近的碰撞频率平面上。gydF4y2Ba

电离平衡和电子冷却gydF4y2Ba

在前面的小节中,离子束速度是观察到的减少,因为提供的推进剂流量增加“低压”条件。由于中性束离子和摄取氩原子之间的碰撞频率仍相对稳定的误差在全范围内提供氩气流量,如图gydF4y2Ba8gydF4y2Ba考试的电离平衡是必需的。降低离子能量随着推进剂流量预计越来越多的氩原子可用于电离以及等离子体源地区变得更加碰撞由于推进剂数密度的增加。考试中描述的电离平衡方程(9)应该指出如果额外损失机制存在。gydF4y2Ba

一个常数的比例最大离子能量(gydF4y2BaEgydF4y2Ba_{离子,马克斯gydF4y2Ba})在伏电子温度(gydF4y2BaTgydF4y2Ba_egydF4y2Ba)在电动汽车将表明,电离平衡的变化负责减少离子能量和减少电子温度。计算能量比率呈现在图gydF4y2Ba9gydF4y2Ba对于压力条件。不确定性,是一个复合误差与测量相关的最可能的电压和记录电子温度的变化。更大的不确定性发生20厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟和60厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟情况下由于电子温度的波动在0.5电动汽车或电子记录温度的50%。方程(9)中给出的比率成正比电子温度的不确定性传播电子温度的值部分中讨论的结果到电离平衡。gydF4y2Ba

离子能量电子温度变化的比率从11.2到34.6在氩体积流率提供的全方位的考虑“低压”条件。2厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟和30厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟流量之间的“低压”条件显示比离子能量和电子温度约等于10.8比观察到“高压”条件暗示电离平衡的变化导致减少记录电子温度如图gydF4y2Ba5gydF4y2Ba(gydF4y2Ba40gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

其余病例的“低压”条件下,电子温度低于预期相应的离子能量暗示额外损失能量的等离子体羽仍然失踪。类似于加速离子的能量损失发生的人口,电子展览冷却行为在穿过中性密度高环境由于重复与中性原子碰撞gydF4y2Ba41gydF4y2Ba]。电子冷却行为已被实验证明量表与中性密度和导致减少电子温度(gydF4y2Ba41gydF4y2Ba]。能量从热羽流电子转移到其他羽物种在电子温度的降低观测结果提供氩推进剂流量增加。gydF4y2Ba

增加提供的燃料体积流量,以繁殖等离子体属性改变通过增加摄取中性氩原子在更高的环境压力未能重现等离子体属性相等的能量或电子温度。而不同的离子能量和电子温度在2厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟情况下的“低压”条件是由于电离平衡的变化,增加氩流量引入了电子冷却行为提供额外的氩原子之间和热羽流电子。这导致减少电子温度不成比例的离子能量的变化。gydF4y2Ba

离子生产gydF4y2Ba

最后的等离子体羽财产利益、离子数密度在出口处飞机,还有待研究。由于高水平的不确定性与离子数密度测量,没有明确的结论关于羽摄取中性氩原子的电离图可以从考试gydF4y2Ba6gydF4y2Ba。以前的文学研究关于中性摄入的影响在赫利孔山离子推进器认为离子数密度可能增强的再循环中性推进剂内部放电室(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。离子由摄取推进剂领域的影响力下降的潜在可能加速,导致推力代增强性能测量操作时更高的环境压力。离子推进器的生产速度出口平面计算使用方程(10),电子数密度(gydF4y2BangydF4y2Ba_egydF4y2Ba)认为等于离子数密度(gydF4y2BangydF4y2Ba_我gydF4y2Ba)记录之前,中立的数密度(gydF4y2BangydF4y2Ba_ngydF4y2Ba)来自表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba和氩气电离速率常数(gydF4y2BaKgydF4y2Ba_{工业区gydF4y2Ba}通过插值)gydF4y2Ba3gydF4y2Ba16 (gydF4y2Ba42gydF4y2Ba为相应的电子温度。值表中给出gydF4y2Ba3gydF4y2Ba对于压力条件。离子生产利率不可估量的电子温度低于1.5 eV。gydF4y2Ba

相应的平均自由路径计算每种情况下使用方程(6)的电离截面确定使用方程(11)使用相应的氩气电离速率常数和除以电子束速度(gydF4y2BavgydF4y2Ba_{egydF4y2Ba−gydF4y2Ba}使用方程(12))计算。在方程(12),电子质量(gydF4y2Ba米gydF4y2Ba_egydF4y2Ba)在公斤。gydF4y2Ba

离子生产速度在所有情况下的“低压”条件低于40厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟氩推进剂流量,超过的电离率摄入氩推进剂在“高压”条件。然而,考虑电离的平均自由程长度0.4公里至少意味着电离摄取氩中性色是可以忽略不计的推进器退出飞机。gydF4y2Ba

而摄入氩中性原子的电离不太可能发生在出口平面,大平均自由程长度的动量交换和离子束章节中讨论电荷交换碰撞速度和碰撞频率意味着额外的氩中立的相互作用可能发生在推力器放电室电子温度较高的地方。电子温度和离子数密度测量上游从出口平面延伸到源地区需要确定摄入中性氩原子电离的可能性在推力器放电室。目前还不清楚从这项研究的结果的全面影响摄取推进剂电离推进器操作。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

提供的燃料体积流率增加到一个射频放电操作在低背景压力环境下为了繁殖等离子体特性影响中性摄入更高环境压力无法繁殖等能量或离子束流密度和在许多情况下可能不可取的。标准2厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba/分钟体积流率的“高压”条件离子能量和电子温度低于相应的流量条件在“低压”条件。唯一的等离子体属性受益于中性摄入的“高压”条件离子数密度可能(取决于两个操作压力的大小区别条件)导致改进的性能在高背景的压力。的绝对星等效果会依赖于名义推进器操作条件和设施背景压力。gydF4y2Ba

“高压”条件,收取离子束的能量和动量交换碰撞导致减少不利于提高推进器性能。一般来说,增加体积流量速率匹配所需的“低压”条件属性记录在“高压”条件超过了总预测推进器流量(提供和吸收流率之和)。等离子体羽流属性记录在高设施背景压力并非可再生的较低的机构背景压力即使推进器流率增加到占人工压力增加推力器放电室由于中性摄入压强越高背景。射频离子推进器推力计算执行使用等离子体羽流属性记录在高设施背景压力不是预测的推力值计算出相同的推进器操作以数量级低设施压力,即使推进剂流量调整,以弥补中立的摄入。还需要进一步的研究来确定最高容许设施背景压力适用于绩效评估射频离子推进器,使准确下推力器的性能预测研究当操作在一个更多的空间环境。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

实验设置、数据收集和分析是由数控。审查结果和分析由兆瓦。gydF4y2Ba

资金gydF4y2Ba

这个实验研究是由美国空军科学研究办公室通过批准号fa9550 - 10 - 1 - 0396。gydF4y2Ba

利益冲突声明gydF4y2Ba

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

作者要感谢塞缪尔Langendorf,亚伦Schinder乔纳森·沃克帮助诊断和数据收集。作者还扩展他们的感谢杰森Frieman曾参与MadHeX副本的初步实验。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba