霍尔电推进技术的发展与应用

霍尔电推进具有推力密度大、推力功率比大、比冲高及系统可靠等优点,在20世纪60~70年代突破关键技术、完成空间试验后,在俄、美、欧等航天器上获得大量应用,执行位置保持、轨道转移、轨道调整和深空探测主推进等任务。目前,100 W级到5 k W级功率的霍尔推力器已经实现在轨应用,100 k W功率的霍尔推力器已在研制中。针对未来载人深空探测、GEO卫星、低轨和超低轨卫星及轨道机动飞行器等任务需求,霍尔电推进朝着更大功率包络,更强多模式调节能力,更高性能,更长寿命及推进剂多样化等方向发展。在分析霍尔电推进技术特点和适用任务后,对国内外霍尔电推进技术的发展现状、任务应用等进行了综述,最后对霍尔电推进的发展趋势进行了展望。     

螺旋波等离子体推进器原理研究

电推进作为一种新型推进技术已受到国内外航天界的广泛关注,且已成功应用于卫星、深空探测器等任务。在众多电推进器中,螺旋波等离子体推进器以其无须电极、比冲大、使用寿命长、性能高等优点成为近年来人们重点研究的对象。文章首先从螺旋波等离子体推进器的发展历程、研究现状和发展态势等角度进行了系统介绍;然后对此种推进器的结构组成以及推进原理进行了阐述;并对几种典型离子加速方式进行了研讨;最后对螺旋波等离子体推进器的应用前景进行了展望。     

离子与霍尔电推进性能和质量的工程数据模型

为了提供航天工程任务设计时优选离子或霍尔电推进的通用对比分析方法,基于工程数据建立了包括推力器、电源处理单元、推力器选择单元、控制单元、推进剂气瓶、调压单元、流率单元、推力器支架、电缆、管路等产品的电推进的性能和质量经验模型。在此基础上通过推导建立了电推进系统干质量通用模型,模型变量参数包括推力器功率、推力器数量和推进...     

圆柱形Hall推力器磁场的设计与数值模拟

霍尔(Hall)推力器的磁场设计是提高其性能的关键技术之一。针对传统环形Hall推力器小型化带来的缺点,提出了圆柱形的Hall推力器。简要对比了环形和圆柱形两种推力器,对圆柱形推力器的工作原理、磁场设计的要求以及利用ANSYS有限元软件进行的电磁场数值模拟的结果进行了详细分析。结果表明,圆柱形推力器磁路设计是合理的,另外也证明了用ANSYS有限元软件进行电磁场模拟的可靠性。     

空间发动机羽流研究技术发展综述

首先介绍了目前进行空间发动机羽流研究的必要性,同时说明地面试验和数值模拟方法都是研究空间发动机羽流特性的有效手段,两者缺一不可。在此基础上,总结了国内外羽流地面试验关键技术和发展状况。然后,分别总结了国内外最具代表性的空间发动机羽流试验台的组成、真空抽吸方式、主要技术指标和特点,包括美国的J2-A试验舱和CHAFF-IV试验舱,欧洲的CCG羽流污染试验舱和STG低温氦冷羽流试验舱,中国的KM系列空间环境模拟器和PES地面羽流试验台。最后,介绍了与羽流地面试验相关的数值模拟技术的发展,总结了进行羽流数值模拟的模型,重点介绍了常用的DSMC方法的典型应用和基于此方法所开发软件的情况,并针对大密度羽流场和电推进发动机羽流场的特点分别总结了其进行羽流场计算的方法。     

霍尔推力器点火过程研究现状及展望

为了总结霍尔推力器点火启动过程方面的研究成果，梳理未来的研究方向，对国内外相关研究进展进行了综述，详细分析了霍尔推力器点火启动过程及其关键研究点，总结了霍尔推力器点火启动过程中阴极电子源效应、点火启动条件、点火启动过程及等离子体演化过程、点火冲击电流、抑制方法以及点火过程向稳态转换过程的基本概况和发展趋势。面向未来深空探测、商业航天等空间推进任务，提出了霍尔推力器点火启动过程值得研究的问题和方向。     

电推进系统空间试验技术研究

电推进系统的相容性、空间推力/比冲等是空间应用关注的重要性能指标。根据电推进系统未来空间试验技术发展趋势,调研了国内外离子、霍尔电推进系统的推力、电磁兼容性、对卫星的污染等空间试验情况,结合我国电推进系统首次开展空间试验现状、电推进系统的布局,以及星上配备的卫星污染与电位监测器,对空间环境条件下卫星的污染、电推进自身及卫星设备的电磁兼容性、空间推力标定方法、推进剂剩余量分析方法等进行了研究。通过电推进系统在轨连续试验、电推进羽流影响等分析,得到电推进对卫星周围污染情况、电推进与卫星平台的电磁兼容性等在轨性能参数,可为全面评价电推进系统技术、科学制定电推进空间试验计划及电推进空间应用提供依据。     

阳极层推力器的研究现状与发展趋势

通过对阳极层推力器的工作原理、特点、羽流特性以及国内外阳极层推力器的研究现状与发展趋势的介绍和分析,指出了阳极层推力器是目前应用前景最好的电推进器之一,并且阳极层推力器正朝着更高功率和/或更高比冲的方向发展。随着空间技术的飞速发展,对高功率和/或高比冲的阳极层推力器的需求将越来越迫切,世界各国在这上面的投入也将越来越大。     

BPT-4000霍尔推力器功率处理单元

BPT-4000是世界上迄今为止在空间应用中功率最大的霍尔推力器,其配套的功率处理单元输出功率可达4.5 kW。详细介绍了BPT-4000功率处理单元的性能参数,内部各电源模块的设计状况。BPT-4000功率处理单元测试结果表明,其各项电性能指标均优于设计要求。     

CRYOGENIC TECHNOLOGY TO IMPROVE ELECTRIC THRUSTERS

This paper analyzes superconducting (SC) coils technology to improve satellite electric propulsion. SC magnets can generate very high magnetic fields with extremely low ohmic losses, low electric power and PCU weight. Moreover, the weight of SC magnet coils is quite low compared with conventional or permanent magnets capable of producing the same field strength. For instance, to obtain a 0.4 T magnetic field strength, typical of applied field magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD), based on the Lorentz force, and with thrust in the range of 1 N, this paper shows that only a 40 g coil SC weight is needed, whereas an equivalent field copper winding would weigh about 36 kg. Using SC technology it is shown that the limited magnetic induction provided by a permanent magnet may be raised and also that it is possible to obtain high magnetic fields (of order of several Tesla) with fewer turns, drastically reducing coil volume, weight and complexity compared to conventional winding.

Superconductivity at low temperature (LTSC) requires liquid helium at 4.2 K to produce very high current densities: the thermal analysis in this paper shows that, depending on satellite and thruster, high temperature superconductors (HTSC) wires are sometimes better than LTSC because these can support lower current densities but with a critical superconductivity temperature higher than for LHe, requiring LN₂ at 77 K, easier to maintain during the whole mission.

Finally, this paper shows that implementing SC cryogenic technology on a satellite can be achieved with current active coolers technology.