第二代490N轨控发动机研制及在轨飞行验证

490N液体火箭发动机被广泛使用于航天器远地点机动入轨或者为其他轨道机动提供推力。我国第一代490N发动机真空比冲为304.7s,曾经成为制约我国航天器寿命上台阶的技术瓶颈,因此开展了基于铌合金材料的高性能第二代490N发动机研制工作,比冲提高10s。对第二代490N轨控发动机的研制和在轨飞行验证结果进行了总结和分析。第二代490N发动机研制过程中突破了高性能喷注器、耐高温材料及涂层、发动机头部喷注器法兰和燃烧室壁面结构温度控制、抗高量级力学环境能力以及热防护罩等多项关键技术,真空比冲达到了317.8s,单台发动机累计199次启动工作寿命40000s以上,工作性能达到国际同等水平。     

微阴极电弧推力器的设计与试验

微阴极电弧推力器具有体积小、重量轻、功耗低、比冲高等优点,是微纳卫星空间推进的理想选择。为了研究其关键特性以及基本性能,设计了一套环形微阴极电弧推力器样机,包括推力器本体和功率处理单元。高速摄影对推力器点火的观测验证了磁场存在时阴极斑点的旋转,并获得了阴极斑点旋转速度与磁场强度的关系。通过飞行时间法、打靶法分别对离子速度、元冲量进行了测量,测量结果表明:推力器出口离子的轴向平均速度在15~30km/s,没有磁场时,元冲量为0.132μN·s,磁场强度为0.0457T时,达到0.262μN·s,推力器平均推力大小在μN量级。通过研究得到:微阴极电弧推力器烧蚀均匀,性能易于调节,适用于微纳卫星。     

电弧加热发动机地面试验(Ⅱ)发动机电特性分析

1引言电弧加热发动机(Arcjet)的工作是依靠电弧加热气体推进剂经喷管加速后向外喷射而产生推力,发动机的性能(比冲、推进效率、寿命等)一方面与发动机的结构有关,另一方面和电弧的发电特性及电源的工作特性有关[1,2]。只有保证电源工作的伏安特性与电弧工作的伏安特性相匹配,才     

离子推力器多模式化研究

为了实现离子推力器多模式化,分析了离子推力器功率宽范围调节限制因素,提出了两种宽范围调节策略;针对我国小行星探测任务,完成了30cm多模式离子推力器研制、功率宽范围调节限制条件确定、以及两种调节策略下多模式工作点设计及对比研究。结果显示,通过降低放电室磁场强度可延伸离子推力器最小稳定工作功率,提高束流均匀性,实现离子推力器更宽功率范围多工作点设计;功率宽范围调节主要是屏栅电压和束电流的宽范围调节,二者通过栅极导流系数限制和交叉限制而约束;推力随功率增加呈线性增加关系,比冲随功率的增加总体上呈先快速增加后趋于稳定的趋势;30cm多模式离子推力器在0.25kW～5kW内稳定工作,推力10mN～186mN,比冲1522s～3586s。     

小功率氩电弧推力器性能实验研究

为了对适合小卫星使用的电弧加热推进系统的优化设计提供一定的参考,自行设计了输入电功率数瓦至数十瓦的小功率电弧等离子体推力器及其运行性能实验系统,包括一种气动小推力的间接测量系统。对四种不同喷管结构和尺寸的小功率电弧推力器,实验检测了所产生的推力随着弧电流和推进剂流量的变化。结果显示:在气流量4.5~10.5mg/s,输入功率3~35W的条件下,推力器产生的最大推力约为9.7mN,最大比冲约为110s;减小喉道直径,适当增加扩张比有助于提高小功率Arcjet的性能;当弧电流在10~110mA范围内变化时,弧电压的变化范围约为210~280V,气体的放电形式有别于传统的电弧加热推力器。      

小推力双组元姿控发动机性能研究

为了获得新一代小推力双组元姿控发动机的性能,通过采用二维激光粒子动态分析仪的雾化试验台和42km高空模拟试验台,对姿控发动机进行了试验研究。结果表明,在额定工况下,新一代姿控发动机的比冲提高到290s,最小脉冲冲量降低到50mN.s,性能得到了很大改善,可以满足卫星对姿控发动机的性能需求,具备了替代我国现有10N姿控发动机的能力。     

静态等离子推力器研制近况

据报道，2000年静态等离子(霍尔)推力器的研制继续取得进展。美国空间系统／罗拉尔公司(SS／L)正在整机集成经过鉴定的SPT-100系统，以用于电信卫星8号和IPSTAR的位置保持，准备在2002年～2003年发射。相应的子系统包括4台俄罗斯法拉尔联合体的推力器和两台SS／L电源处理单元。大西洋研究公司作为主承包商的4.5 kW级SPT-140，由法克尔研制推力器，SS／L负责设计与制造电源处理单元。在2000年中，已完成电源处理单元样机与推力器的整机集成试验，2001年春开始7 200 h的寿命试验。由NASA-Glenn、特雷伍德系统公司和美国空间电源公司研制的10 kW级T-220霍尔推尔器，2000年内完成了1 000 h的寿命试验，实现了高功率霍尔推力器迄今最长时间的运行。NASA的双模态工作D-80霍尔推力器，已实现比冲为1 500 daN*s/kg～3 300 daN*s/kg、功率在1 kW～8 kW范围的运行。Busek公司正在研制一台比冲在1 200 daN*s/kg～2 400 daN*s/kg、额定功率为8 kW的推力器；Prime宇航公司研制的双模态霍尔推力器也已实现了2.0 kW～4.5 kW范围内的工作。在低功率级霍尔推力器方面，Busek已研制了一台200 W级的推力器系统；BHT-200的延寿试验证明，达到了1 500 h～2 000 h。 在欧洲，用于法国技术试验卫星的PPS-1350推力器已完成寿命试验，将在2001年上半年进行飞行。在SMART-1技术论证任务中，PPS-1350将用作轨道空间主推进系统。 (本刊通讯员)     

星用490 N发动机偏工况工作特性试验

准确掌握液体火箭发动机不同参数下的工作特性及裕度对其使用可靠性至关重要。对第二代490 N发动机开展偏工况高空模拟和地面热试车,研究了推力和混合比变化对发动机工作特性的影响。结果表明:高空模拟环境下发动机能在混合比1.54～1.80及真空推力372～584 N的较宽包络范围内正常工作。随着推力的增加,真空比冲和喉部温度均提高,燃烧室效率依次呈增大、平稳、下降的趋势,喷管效率小幅增大。随着混合比的增大,真空比冲和喉部温度也提高,燃烧室效率未发生明显变化,喷管效率微降低。额定混合比下,室压在0.61～1.56 MPa区间内波动平稳,具备真空推力345～900 N工作能力,但在0.51 MPa时产生与输送系统耦合的中低频（207 Hz）燃烧振荡。高工况引起喉部热流冲刷加剧以及温度升高会加速涂层的损失,使得发动机长程工作寿命下降,但在一定的偏离范围及单次点火时长内仍能满足卫星25000 s鉴定级寿命要求。      

微小推力冷气发动机动静态性能实验研究

针对所设计的微小推力冷气发动机进行高空模拟试验,搭建了试验系统,并应用推力测试装置测量了发动机不同推进剂下的推力和比冲,得到了发动机的稳态特征参数,当分别以丙烷和氮气为推进剂时,平均比冲分别为83.5s和75.6s.为了获得发动机的动态特征参数,对推力测量装置进行了负阶跃力和正阶跃力动态标定,通过标定数据的对比验证得到推力测量系统的延迟时间为90ms;进而在特定试验工况下,给出了发动机和推力测量装置实际上升时间的计算方法,得到丙烷质量流量为40mg/s时,发动机的上升时间为27.1 ms.     

10cm氙离子推力器变推力特性研究

非重力阻尼的连续、快速、高精度补偿是实现重力梯度测量卫星精细重力场测量的关键技术之一,直接影响到整星工程任务的成败。针对重力梯度测量卫星在轨飞行期间对电推进系统宽范围连续变推力能力的应用需求,分析了10cm氙离子推力器推力调节响应特性。在此基础上,通过对阳极电流、励磁电流和阳极流率等推力高敏感响应参量的组合调节,开展了推力调节试验研究,验证了10cm氙离子推力器宽范围连续变推力调节能力,获得了1～20mN范围内的推力调节性能及其变化规律。试验结果表明：在采用地面供电、供气设备条件下,10cm氙离子推力器能够在100～597W的功率范围内实现0.98～20.29mN的推力宽范围调节,比冲175～3500s,推力分辨率优于50μN。研究为建立10cm氙离子电推进系统的推力控制数学模型及调节控制算法奠定基础。     

一种高可靠长寿命的推进系统

介绍单元肼为推进剂的卫星推进系统，该系统已成功用于我国地球同步轨道通信卫星，高可靠，长寿命。叙述了系统及各部件的主要性能，关键部件的特性与可靠性试验，材料相容性试验，微粒控制及系统热试车。根据多年的飞行试验及地验对系统进行了可靠性计算。     

Influences of characteristic parameters on starting-up process of an arcjet thruster

Arcjet thruster has been a widely used electrical propulsion technology on GEO satellites since 1993. In its long history of technical development and commercial application, lifetime verification of an arcjet thruster is always one of the most important and expensive tasks. Considering that the main life limitation of an arcjet thruster is electrode ablation and a significant share of the total ablation happens in its starting-up process, the starting-up process is studied with arc voltage signals. Through interpretation of arc voltage signals, the transfer process of the arc root on the anode surface is identified, and ΔT (the duration of the arc root transfer process) is suggested to be a characteristic parameter for fast evaluation of lifetime assessment and design optimization for an arcjet thruster. With this criterion, the influences of typical parameters on the starting-up process are established through comparison with a benchmark parameter. According to experimental results, an increase of the gas flow will obviously reduce ΔT, while a smaller swirl aperture and a longer throat channel do not have a remarkable correlation with ΔT. Moreover, with a sample of a smaller throat diameter to increase the flow velocity, a reduction of ΔT is achieved. Meanwhile, the modifications also affect the stability of arcjet thruster operation, which is also discussed.     

POWOW: power without wires: a SEP concept for space exploration

Electric propulsion has emerged as a cost-effective solution to a wide range of satellite applications. Deep Space 1 successfully demonstrated electric propulsion as the primary propulsion source for a satellite. The POWOW concept is a solar-electric propelled spacecraft capable of significant cargo and short trip times for traveling to Mars. It would enter aerosynchronous orbit and from there, beam power to surface installations via lasers. The concept has been developed with industrial partner expertise in high efficiency solar cells, advanced concentrator modules, innovative arrays, and high power electric propulsion systems. The latest version of the spacecraft, the technologies used, and trip times to Mars are presented. The POWOW spacecraft is a general purpose solar electric propulsion system that uses new technologies that are directly applicable to commercial and government spacecraft with power levels ranging from a LEO power level of 4 kW up to GEO spacecraft about 1 MW. The system is modular, expandable, and amenable to learning curve cost projection methods     

三轴同步卫星无陀螺巡航下姿控异常及预警研究

通过分析三轴同步卫星无陀螺巡航模式下姿控系统频繁喷气导致推进系统A、B分支切换的现象及其原因，提出了一种分支切换预报方法。该方法能够根据太阳敏感器测量数据的变化，有效地对推进分支切换作出预警。同时，为了避免星上推进分支自主切换的发生，文中最后提出了2种可行的解决途径。     

重力测量卫星三轴稳定模型预测控制方法

基于卫星重力测量姿态控制任务需求,提出了一种基于模型预测控制的三轴姿态稳定控制方法.给出了将控制力矩和扰动力矩分别作为控制变量和测量扰动的线性化方程,并将推力大小及其变化量作为约束条件.基于离散化状态方程,提出了满足多种约束条件的预测控制方法.通过数学仿真表明了模型预测方法对内编队卫星三轴稳定控制的有效性和可行性.     

环境压强对电弧喷射推力器性能的影响

为了详细研究环境压强对电弧喷射推力器性能的影响,对低功率氮氢电弧喷射推力器在不同环境压强下的工作性能进行了比较计算。采用二阶精度无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式)和经典龙格库塔方法求解耦合电磁源项的N-S方程组,采用高斯-塞德尔超松弛迭代方法数值求解电磁场方程。计算结果给出了不同环境压强下推力器的推力、比冲、推进效率和出口平面冲量密度分布。结果分析定量地阐释了环境压强对推力器性能的影响,能为推力器的实验研究及空间应用提供参考。      

卫星推进系统温度均衡性控制方法研究

卫星推进系统在轨需要进行温度控制,尤其需要对推进系统的贮箱、管路温度进行合理的控制。针对小卫星、微小卫星热控资源紧张的情况,以及当前的热控设计方法在不同温度环境分布的推进系统应用中存在的温度分布不均的情况,提出了一种优化的推进系统热控设计方法。在常规热控设计方法中考虑测温点最小值的同时,考虑了测温点的最大值因素,并根据最小值、最大值与控温区间的关系确定加热回路的开/关关系。采用本方法在整星热平衡试验中对推进系统进行了温度控制验证。试验结果验证了同时考虑控温区间上限和下限的热控设计方法的可行性和合理性。卫星在轨飞行阶段的推进系统参数验证了该温度控制方法能获得更好的推进系统温度分布均匀性,并保证了工作温度区间上限的裕度。     

电弧加热发动机羽流电子温度及电子数密度的双静电探针测量

研制了一套双静电探针测量系统,对以氩气为推进剂的1kW级电弧加热发动机羽流进行了测量,得到了电子温度和电子数密度的轴向和径向分布,以及随弧电流、气流量的变化趋势。结果表明,羽流显著偏离局域热力学平衡状态,电子温度呈现复杂的分布和变化趋势。羽流轴线上的电子温度明显低于偏离轴线处的值,而电子数密度远高于偏离轴线处的值;羽流轴线上的电子温度随弧电流的增加而降低,电子数密度随弧电流的增加而增加;羽流中心区电子温度随气流量的变化趋势不明显。     

Comparative study of lunar mission requirements and onboard propulsion system performance

In recent years, the lunar explorer programs, suspended for a long time, have resumed again with the rapid development of low cost and high-level technologies. As a result, several nations have made a success of lunar exploration programs with their own orbiters. Unlike a satellite orbiting the earth, the optimal design of an onboard propulsion system of a lunar orbiter is a major issue because it is not simple to make the orbiter arrive accurately at another planet far from the earth. Hence, a close attention is required to select and develop an appropriate type of the onboard propulsion system based on given mission requirements of a lunar orbiter. To do this, this study first surveys several lunar orbiters launched since 1990 and their major mission requirements. Then, it summarizes the technical trends of the onboard propulsion systems of the recent lunar orbiters and their key design and performance specifications through trade-off studies. By comparing these features, the present study investigates which lunar mission requirements are critically important, and how they can effect on the overall performance of an onboard propulsion system. Based on these investigations the major objective of the present study intends ultimately to set up a fundamental baseline in selecting and developing an appropriate type of onboard propulsion system of a lunar orbiter.     

PPT小卫星轨道转移任务分析

针对CAST968小卫星平台,结合HY-1卫星,分析了该卫星轨道转移任务的应用需求;对比HY-1卫星采用的单组元肼推力器,指出了脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster,PPT）的应用特点;根据该卫星平台的外形和结构参数,对星上轨道转移PPT的数量和工作方式进行了初步设计;基于PPT的研究现状和推进能力,对PPT的轨道转移方案进行了论证分析,计算了相关的轨道转移参数。研究表明,PPT可以适用于微小卫星小能量轨道转移任务,与传统的化学轨道转移推进系统相比,优势较明显。