我国首套磁聚焦霍尔电推进系统研制成功

正近日,中国航天科技集团公司五院502所研制的某卫星磁聚焦霍尔电推进系统顺利完成交付,其性能指标满足总体要求,标志着我国首个磁聚焦霍尔电推进系统研制成功。该套磁聚焦霍尔电推进系统采用新一代霍尔电推进技术,代表着国际上目前的主流发展方向,可广泛应用于我国新一代通信、全电推进等     

磁屏蔽霍尔推力器技术的发展与展望

磁屏蔽霍尔推力器技术是近年来霍尔推进领域最具影响的创新突破,对于拓展霍尔推力器的应用范围,提高推力器的寿命具有重要意义。介绍了磁屏蔽霍尔推力器的原理及优缺点,从磁屏蔽的提出与验证、不同功率量级霍尔推力器的磁屏蔽技术以及磁屏蔽霍尔推力器热设计、背景压力敏感性、振荡模式转换等方面介绍了磁屏蔽的研究现状,并对未来磁屏蔽霍尔推力器技术的发展进行了展望。     

霍尔电推进技术-促成10年后去火星

日前,中国航天科技集团公司五院502所研制的“磁聚焦霍尔电推进系统”在实践－17卫星上完成了全部在轨飞行验证工作,这是世界首套完成在轨飞行验证的“磁聚焦霍尔电推进系统”。“磁聚焦霍尔电推进系统”采用新一代霍尔电推进技术,代表着国际上目前的主流发展方向,可广泛应用于我国新一代通信、全电推进等卫星平台。相比我国目前广泛采用的化学推进系统,“磁聚焦霍尔电推进系统”技术比冲高出6倍以上,对于同样的宇航任务,电推进消耗的推进剂约为化学推进的1/6,甚至更少,可显著提升航天器有效载荷,延长航天器在轨寿命,降低航天器发射成本。     

温度对磁屏蔽霍尔推力器磁场构型的影响研究

霍尔推力器磁路设计主要通过常温静态磁场仿真得到，并实测推力器非工作状态常温磁场进行复核。大功率霍尔推力器将面临更为严峻的热问题，推力器工作时磁路系统受高温影响，因此在常温下仿真得到的磁场位形会因温度升高而产生偏移，不能反映推力器真实工作时的磁场情况。为研究霍尔推力器工作时热量对磁路系统的影响，通过热磁耦合仿真对10kW磁屏蔽霍尔推力器的热态磁场分布进行研究，并对热态、常温仿真结果进行了对比，发现在阳极附近的径向磁感应强度Br的差异比放电室出口更大。常温设计的磁屏蔽构型在热态时偏离磁屏蔽，磁场和壁面最大不符合度达到13%，通过陶瓷出口型面修正后重新获得磁屏蔽效果，使最大不符合度降低到4.8%以下。合理热设计有助于降低热载荷，热仿真得到磁路系统最高温度低于500℃，低于0.78倍的居里温度Tc磁性急剧转变点，不会出现磁性能急剧下降，但热量对磁屏蔽霍尔推力器磁场构型的影响是应该考虑的。     

霍尔推力器仿真与优化

摘要： 针对霍尔推力器通道内的放电过程,建立一种基于COMSOL软件的仿真模型.该模型以等离子体内部电子和离子的漂移扩散为核心,结合电磁场、气体流动以及等离子体内部的碰撞反应,通过合理选取系统方程、边界条件以及求解器,有效估算霍尔推力器的性能参数以及各物理量在通道内的分布.将仿真结果与理论相比较,验证该模型用于霍尔推力器数值仿真的有效性并以此对推力器进行磁场优化设计.     

磁屏尺寸对霍尔推力器性能影响的仿真研究

磁屏作为霍尔推力器磁路系统的重要组成部分,其尺寸对磁感应强度分布具有重要影响。为探究其中的影响规律,以一台低功率霍尔推力器为研究对象,首先采用Maxwell有限元方法软件对磁屏在不同的轴向和径向尺寸下形成的磁场进行仿真,结果表明一组尺寸使推力器磁场位形达到最优。然后以该尺寸作为设计标准,采用PIC方法对霍尔推力器在阳极电压及气体流量分别为200 V及0.8 mg/s条件下放电通道内等离子参数分布进行仿真。最后根据离子速度和数密度等参数,计算得到推力器的推力、阳极比冲和阳极效率分别约为6.9 mN、880 s及41.89%。该仿真为霍尔推力器的磁场设计提供理论依据,为未来的实验研究提供数值参考。     

自身场磁等离子体推力器数值仿真流场特性分析

磁等离子体推力器以其推力大、比冲高等特点,成为未来深空探测、星际航行任务首选的电推力器类型,研究推力器内部等离子体流场特性,有利于解释推力器出现的物理现象。针对特定自身场磁等离子体推力器,建立磁流体模型,使用TVD Lax-Friedrich格式以及ADI方法对推力器内部及羽流进行数值求解,得到等离子体流场及等离子体参数分布情况,仿真结果显示在高电流工况下,等离子体羽流更加集中,轴向加速效果更加显著,但高电流模式下阴极温度较高,不利于阴极的使用寿命。     

面向全电推进卫星的霍尔推进技术

不同空间任务和约束条件对霍尔推力器提出了多模式工作的需求,通过对全电推进卫星对推进器的需求分析,论述霍尔推力器多模式工作涉及的关键技术.分析表明,高比冲模式下工质充分电离、推力器热负荷、羽流聚焦是技术瓶颈问题,多模式宽范围工作的阴极设计技术、多环/成组技术是霍尔推力器发展的重要研究方向,多模式霍尔推力器未来的发展需要在模式连续可调、大总冲和高比冲方向取得技术性突破.     

霍尔推力器分割高偏压电极等离子体放电特性

霍尔推力器通道等离子体与壁面有很强的相互作用,为了降低壁面腐蚀,提高在轨寿命, 针对推力器全通道放电过程建立二维物理模型,采用粒子模拟方法（Particle In Cell）,数值研究了电离区壁面分割高于阳极偏压的低发射石墨电极对推力器放电特性的影响,讨论了放电通道电势、离子数密度、电子温度、电离速率及比冲的变化规律。结果表明：在电离区不同位置分割高偏压电极对等离子体放电特性影响明显,电极位置在电离区前端时,电极偏压高于阳极电压60V时通道内放电等离子体参数几乎不变。而电极位置在电离区末端,电极偏压高于阳极电压18V时就会导致加速区轴向扩张,离子聚焦效果强,电子温度显著升高,电子与壁面相互作用减弱,羽流发散角减小。由此推力器比冲提升约12%,寿命延长,性能提高。     

1.5 kW级磁聚焦霍尔推力器阳极电源设计

介绍了1.5 kW级磁聚焦霍尔推力器阳极电源的设计,针对电源输入输出电压宽范围、高升压比的特点,设计了变压器原边并联,副边串联的双变压器结构;为了提高效率,分析了滞后臂实现软开关的实现条件;为了抑制整流二极管反向恢复的电压尖峰,变压器原边使用了两个钳位二极管且在变压器副边采用了CDD无损吸收电路。针对霍尔推力器负载特点,设计了双零点三极点补偿器,提高了电源的动态和稳态特性。最后,给出了产品实物及滤波单元原理并验证了方案的合理性。     

磁等离子体推力器工作机理与应用前景研究

研究了发动机能量输入、工质电离、等离子体加速及能量转换过程及机理,同时分析了磁等离子体推力器在空间推进任务中的应用前景.研究表明磁等离子体推力器主要利用电磁力加速和磁喷管的能量转换作用来实现加速,这种方式在大功率条件下,能够获得大推力、高功率和较长工作时间,在大功率轨道航天器和深空任务中有广阔的应用前景.     

同心嵌套式霍尔推力器参数设计方法研究

结合未来国内外对大功率场霍尔推力器的需求,论述同心嵌套通道式霍尔推力器研究现状,技术优势。针对嵌套通道式霍尔推力器参数设计方法的空白,介绍了一种可行的嵌套通道式霍尔推力器的结构和磁路;提出了一种以阳极功率和比冲为输入,确定嵌套通道式霍尔推力器通道数目、各通道结构参数和工作参数的方法;结合磁路设计和热设计,给出了优化嵌套通道式霍尔推力器的参数的路径;填补嵌套通道式霍尔推力器参数设计和优化的空白,为其工程应用提供参考。     

回路参数对霍尔推力器点火脉冲电流影响

在分析霍尔推力器点火启动过程中电源侧脉冲电流形成机理的基础上,通过解析分析和变参数试验的方法研究了外回路参数与电源侧脉冲电流峰值之间的规律。研究结果表明,随着外回路电容和电感的增大,电源脉冲点火电流峰值减小,根据理论推导得到的霍尔推力器点火启动过程电源脉冲电流峰值函数,分析了外回路电感、电容参数对点火脉冲电流的影响,给出了给定电感值下电感线圈匝数、磁环导磁截面积、磁芯材料BH曲线的要求,为霍尔推力器放电外回路的参数设计提供理论参考。     

磁拓扑结构对环型离子推力器放电性能的影响

为得到环型离子推力器最佳磁拓扑结构以有效提高推力器放电效率、降低放电损耗,对不同类型磁拓扑结构下的放电通道气体放电过程进行研究。采用PIC MCC数值计算方法对等离子体产生及运输过程进行数值模拟,分析磁场分布对等离子体密度分布、电子损耗率及放电稳定性的影响,结合统计结果,得到推力器放电性能曲线,最后进行试验验证。研究结果表明,相较多极场结构,环尖场磁构型能更好地约束电子运动,大幅降低其在阳极壁面损耗率,增加电子与中性原子碰撞概率,显著提高放电效率、降低放电损耗。     

霍尔推力器羽流对太阳翼的溅射影响规律

霍尔推力器羽流对太阳翼的溅射作用是影响翼板工作性能、卫星供能稳定性的重要因素。为深入研究霍尔推力器羽流在不同布置工况下对太阳翼的溅射影响规律,采用单元粒子/直接蒙特卡洛碰撞模型（PIC/DSMC）求解羽流等离子体的输运过程,其中对离子的扩散作用采用基于菲克定律的求解模型,并以Yamamura溅射模型来求解等离子体对太阳翼表面的溅射产额。为验证修正扩散模型后的算法精度,在真空舱内开展羽流诊断试验,以试验与计算结果的对比来修正扩散经验参数以及验证计算精度。试验结果表明,在扩散系数kd=126×10-36N·m4时,该模型计算误差在87%左右。在此基础上,对不同的推力器方位角、推力器与翼板距离工况,开展羽流对太阳翼的溅射产额计算。计算结果给出太阳翼表面溅射分布随方位角、距离增加的依变规律,并进行了相关透光率影响程度的讨论,可对推力器的星上布置提供参考依据。     

阴阳极进气量对附加场磁等离子体推力器性能的影响

针对附加场磁等离子体推力器阴阳极供气量对推力器性能的影响进行了研究。采用试验方法测量了稳态AF MPDT的束流参数以及放电电压、放电电流、附加磁感应强度等工况参数,测量计算了推力、效率等性能参数。通过改变阴阳极供气比例,分析研究了初始气体分布对推力器性能及物理机制的影响。研究结果显示,阴极供气比重增大时,推力器推力及效率相应增大,但增大到一定比例,推力器出现工作不稳定导致性能下降,说明阴阳极存在最佳的供气比例,表明供气比例对推力器性能具有重要影响。     

高比冲霍尔推力器启动特性研究

高比冲霍尔推力器从霍尔推力器研制初期就得到重视，但是与工程应用相关的参数对比、电流变化和振荡特性特的研究较少。通过测量推力器在不同工况下推力大小、电流变化和电流振荡波形，给出了HET 80HP高比冲霍尔推力器的性能特点和启动特性。研究结果表明,HET 80HP高比冲霍尔推力器相对于传统霍尔推力器，在较大流量和较高放电电压工况下具有更好的性能。冷启动时，正常磁场情况下放电电流存在电流尖峰，并且需要较长的时间才能达到相对稳定。不同磁场位形热启动情况下电流的变化过程表明，电流尖峰是否存在主要与磁场位形有关，启动时温度的高低与电流尖峰是否存在没有明显关系。此外，通过对比不同磁场下推力器比冲和平均频率的变化可知，推力器低频振荡平均频率的高低能够较好地反映推力器比冲的大小。     

多级会切场推力器振荡特性模拟研究

目前多级会切场推力器数值模拟研究采用的主要手段是全粒子模拟方法,但是这种全粒子模拟对计算机的要求较高,因此文章通过建立HEMPT的一维流体模型,再现HEMPT的振荡现象,对放电电流和等离子体参数之间的关联性及等离子体参数分布规律进行研究。沿着两条典型的电子传导路径,利用MATLAB中Simulink模块建立一维流体模型。结果分析表明,推力器内部等离子体参数的振荡周期与放电电流振荡周期一致。推力器的主电离区在两个磁尖端之间,电势降主要集中在出口附近。     

基于尺寸优化的霍尔推力器磁路设计方法研究

针对当前霍尔推力器磁路设计主要依靠经验进行人工调节的现状,本文建立了高效率高质量的磁路优化设计方法,解决逐次调节单个磁路尺寸效率低,无法满足日益精细化磁场需求的问题.通过调研经过飞行验证的推力器,明确磁场参数描述方式及范围,提炼出了霍尔推力器设计的磁场准则;在此基础上,采用基于有限元方法的尺寸优化,将磁场要求嵌入磁路优化的约束中;在多约束算法的自动寻优下完成磁路设计.选取具有双磁屏的典型磁路结构形式作为初始磁路,以1.35 kW级推力器进行验证,结果表明,优化后磁路质量减轻34.9%,励磁功率减小5.6%,磁倾角从最大超过20°减小到6°以内,对称性得以改善,最大磁场强度增加8.3%,磁场梯度提高6.4%.本文提出的基于尺寸优化的磁路设计方法适用于各功率级霍尔推力器,允许磁场需求参数在较宽范围内变化并支持同时调节数十个关键尺寸,优化磁路较好地满足了磁场设计需求.     

我国电推力器空心阴极寿命达国际先进水平

正近日,中国航天科技集团公司六院801所电推进技术取得重大突破——我国千瓦级霍尔推力器的空心阴极长寿命试验率先突破28000小时,累计点火15000次,验证寿命时间达到国际先进水平。该项技术的突破为我国电推进系统的空间应用奠定了坚实基础。空心阴极被誉为电推力器的"心脏",是决定电推力器、电推进