基于环境工质的超低轨吸气式螺旋波电推进器仿真分析

为考察超低轨道高度环境下吸气式螺旋波电推进的可行性,基于180 km超低轨道高度环境工质,开展吸气式螺旋波电推进器的仿真模拟。进行以原子氧为工质,综合考虑碰撞、激发、电离等过程,通过13.56 MHz射频加热,由磁喷口完成推力输出全流程的仿真模拟。建立特定形态吸气式螺旋波电推进结构模型,结合不同功率的输入,分析功率沉积、等离子体参数分布和推力输出。结果表明,输入功率从200 W增加至2000 W的过程中,推力从6.00 mN增加至13.23 mN,能够满足0.226 mN的阻力补偿要求,可为超低轨吸气式电推进航天器设计提供参考。     

空间电推进应用及技术发展趋势

充分调研分析了国外空间电推进技术及典型应用情况,详细介绍了电推进在GEO卫星位置保持和轨道转移、深空探测主推进、中低轨道航天器无拖曳控制与高精度姿态控制、空间太阳能电站轨道维持等领域的空间应用情况。对电推进在国内不同领域的应用需求进行了分析,包括GEO卫星位置保持和全电推进、近地小行星探测等深空探测主推进、低轨航天器无拖曳控制和轨道维持、(超)低轨小卫星编队飞行及(微)小卫星精确轨道控制和空间太阳能电站轨道维持等任务。电推进技术正朝着高功率、大推力、低功率、微小推力、宽功率范围推力连续可调、高比冲、长寿命和多模式方向发展。针对电推进在不同应用领域的需求及电推进技术发展方向,提出了我国未来20年拟开展的电推进技术研究项目。     

一种用于临近空间飞行器的吸气式电推进技术

针对低速临近空间飞行器提出了一种新型吸气式电推进方案,该方案采用单介质阻挡放电（SDBD）作为等离子体源,因此能在较大气压范围（数Pa~1atm）内电离大气产生等离子体并产生推力。为探究该吸气式电推进方案的推力性能,测量了实验样机在多个气压和电压条件下产生的推力。推力测量结果显示在10~90kPa气压范围内,实验样机产生的推力在10 2~10 3μN量级;气压一定时,产生的推力与驱动电压呈幂次相关;而电压一定时,随着气压自1atm逐渐降低,产生的推力先增大后减小,且达到最大推力的气压与所加驱动电压相关。     

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。     

电动绳系在低极轨卫星中的应用研究

低极轨卫星具有轨道周期短、对地观测分辨率高等优点,但由于所在轨道大气阻力大,其使用寿命受到较大限制。文章提出采用水平结构电动绳系抵消低极轨卫星大气阻力的方法,通过系绳电流与地球磁场相互作用产生洛仑兹力进行推进,进而在无燃料消耗的情况下实现对低极轨卫星轨道高度的维持。初步分析了该方法在低极轨不同尺寸卫星中的应用潜力,计算了160 、400 和800 km 典型高度低极轨卫星所经历的地球磁场、电离层和高层大气环境相关参数变化,比较了不同条件下电动绳系推力与大气阻力大小随轨道位置的变化。分析结果表明,该方法适用于400 km 轨道高度以上大卫星;在满足一定系绳长度和轨道高度的条件下,电动绳系可以有效延长低极轨卫星的轨道寿命。     

带有控制增益自校正的甚低轨道卫星自主轨道维持方法

为实现甚低轨道的长期稳定运行,分析了甚低轨道的摄动特性,设计了一种带有轨控增益校正的自主轨道维持方法。该方法可通过前一次轨控的结果对轨控增益进行校正,提高轨控算法对卫星质量、推力大小等不确定因素的鲁棒性,逐渐提高轨道控制的精度。对轨道控制的频率、每次轨控的时间长度及对偏心率的影响进行了分析,仿真结果表明:自主轨道维持方法能实现甚低轨道高度维持控制,在参数不确定的情况下,与传统算法相比可大幅提高轨道控制的精度,确保平均偏心率矢量收敛,满足甚低轨道卫星的长寿命要求。所设计的算法结构简单,运算量小,可由目前的星载计算机实现。     

基于类咽式进气道的高超声速飞行器一体化设计

针对吸气式高超声速飞行器高空巡航飞行时净推力和升力不足的难题,探索了一种基于类咽式进气道的高超声速飞行器一体化设计方法。该方法耦合了具有高升阻比特性的乘波机体和气流压缩性能优异的三维内收缩进气道,获得了一种气动性能较优的高超声速飞行器一体化构型。在设计过程中,对一种咽式进气道的几何外形和激波系结构进行了适当改变,得到了能与楔形乘波前体进行一体化设计的类咽式进气道构型,并采用遗传算法对进气道参数进行了优化;以所得到的进气道和乘波体为基础对飞行器整体构型进行了飞行器内外流一体化设计。无黏计算所得流场与理论设计吻合良好,有黏计算结果表明该飞行器在马赫数7时最大升阻比达到3.4,具有良好的气动性能。     

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。     

一种小推力航天器变轨优化方法

针对连续小推力航天器在轨道转移及制导控制过程中,传统方法需优化大量参数,且无法保证得到近优解的问题,提出一种新的轨道转移和规划算法。该算法将电推进式小推力卫星模型的变轨过程转化为最优控制中两点边值问题,引入混合遗传算法,实现了小推力航天器由低轨向高轨的飞行轨道规划及优化,并在开源的科学工程计算软件SCILAB6.0.1上进行实验,将各算法封装成算法模块。实验结果表明,所提方法对小推力航天器变轨飞行轨道的规划具有良好的优化效果。     

螺旋波电推进的搭载试验装置结构设计与分析

螺旋波是未来空间电推进系统极具吸引力的电离源之一,逐渐受到国内外高度关注。为进一步验证其可靠性,考虑进行螺旋波电推进的搭载试验。文章对螺旋波电推进搭载试验装置的支撑结构进行了详细的设计与分析,并采用有限元软件进行了力学计算,以验证结构设计的合理性。     

离子电推进技术的发展现状与未来

离子电推进是最具代表性和技术成熟度的电推进技术类型之一。本文从放电室技术、离子光学系统技术、放电阴极和中和器阴极技术的优势、缺憾等方面,总结了离子电推进的技术发展现状。针对未来航天任务对离子电推进更大功率、更高比冲、更简系统等新需求,分析了传统离子电推进所面临的主要技术挑战,梳理出了环型离子电推进、双级加速离子电推进、自中和离子电推进、螺旋波放电离子电推进等创新离子电推进技术发展的未来方向。     

离子推进及其关键技术

介绍离子式电推进的工作原理、性能参数、发展历史和现状。阐述了发展离子推进需攻克的关键技术，其中包括提高性能（比冲、推力、工质利用率等）、延长工作寿命、与卫星的相容性、离子光学系统等。     

螺旋波等离子体推进器磁场仿真

推进工质电离、加速、喷出过程以及电羽流的污染控制等都与磁场密切相关。磁场位形的仿真设计对于提高螺旋波等离子体推进器的性能至关重要。基于等效磁荷方法建立了专门针对螺旋波等离子体推进器的三维磁场仿真模型, 计算出圆柱形与圆环形铷铁硼(Nd-Fe-B)永磁体组合产生的磁场位形及磁场强度分布特征。该模型为改进电推进器实验方案提供必要的参考和指导;通过大量仿真计算与分析, 从大量的磁铁构型方案中优选出合适的磁铁构型, 可以缩短螺旋波等离子体推进器的实验周期, 降低成本, 加快电推进器的研发进度。     

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。     

全电推进GEO卫星平台发展研究

介绍了国外电推进系统在地球静止轨道(GEO)卫星上的应用阶段,以及包括波音卫星系统-702SP(BSS-702SP)在内的主要全电推进卫星平台;总结了全电推进卫星平台在商业市场竞争、平台技术创新、中型通信卫星市场需求方面的发展动因;提炼了全电推进卫星平台涉及的大推力、高比冲、双模式电推进系统,以及全轨道、小推力、自主变轨和位置保持等关键技术;提出了我国全电推进卫星平台开发的目标及发展途径。     

一种低轨遥感卫星自主轨道控制方法

针对低轨遥感卫星轨道控制操作繁琐、执行效率较低、影响载荷任务编排等缺点,提出一种无需地面站支持的自主轨道控制方法。利用在轨实时计算得到的轨道偏差作为触发条件,在偏差超出阈值时,卫星根据轨道外推结果、剩余燃料质量、发动机推力等参数自主计算轨控时间,并在不与载荷任务冲突的前提下,实施发动机点火,实现卫星轨道误差的在轨自主补偿。经高分七号卫星(GF-7)验证,能够有效降低卫星的地面运控成本,大幅提升卫星的自主管理、自主运行能力,可为我国后续低轨遥感卫星设计提供参考。     

地球辐射带槽区粒子环境动态变化对中轨卫星辐射效应的影响

中轨卫星运行于地球辐射带槽区,而槽区粒子辐射环境可能存在显著涨落,增加卫星抗辐射设计输入的不确定性。文章利用典型地球辐射带模型,对中轨卫星累积性辐射效应的主要来源进行深入分析,再结合槽区粒子辐射环境动态变化特征,初步量化分析其对中轨卫星遭遇辐射效应的影响。结果表明:槽区粒子辐射环境的动态变化对星表材料及太阳电池辐射损伤的附加影响较小;槽区质子填充事件对8000 km以上高度轨道的电离总剂量有明显影响（但此类事件遭遇概率很低）;槽区电子填充事件使10 000 km以上高度轨道的电离总剂量明显增大,这点必须在相应的卫星抗辐射设计要求中予以考虑。     

全电推进GEO卫星的变轨策略研究

针对采用全电推进平台的GEO卫星的轨道转移问题,在给定电推进轨道控制模型的基础上,开展卫星由GTO向GEO的变轨策略研究。首先,在轨道远地点高度不变的基础上,给出了给定控制解析解的变轨策略,并给出了该种策略轨道控制律的解析解。其次,文章基于李雅普诺夫优化原理给出了优化的变轨策略,并结合仿真算例计算了该种策略控制律的数值解。在电推进优化转移策略研究的基础上,还分析了全电推进平台卫星在不同推力下的变轨时间需求。文章的变轨策略可为电推进系统在航天领域的应用提供参考。     

多任务模式电推进技术

调研了多任务模式电推进技术在地球静止轨道卫星和深空探测器中的应用情况,电推进技术的应用由南北位置保持任务模式逐步向南北位置保持和轨道转移等多任务模式发展;总结了多任务模式电推进技术在功率需求、比冲、推力等方面的技术特点;从卫星平台技术、推力器技术、可变功率电源转换及控制技术、可变流量调节技术,以及多自由度、大角度矢量调节技术等方面,分析了多任务模式电推进在工程应用中要解决的关键技术。     

对用电推进装置提升卫星轨道的重新评价

本文对利用低推力推进装置将卫星从低地轨道转移到静地轨道的可行性在技术上和经济上重新作了评价。特别对太阳能电拖船这一方案进行了讨论,亦即用太阳能电拖船将主推进装置从静地轨道拖回低地轨道,以供重复使用。