超低轨吸气式螺旋波电推进概念研究

文章提出一种超低轨卫星飞行轨道维持新概念——吸气式螺旋波电推进技术,将轨道残余大气作为螺旋波电离的工质,通过螺旋波加速电子形成的电双层加速离子产生推力,维持卫星在超低(180～260 km)轨道的长时间运行。吸气式螺旋波电推进的核心技术是采用收缩进气道与螺旋波电推进一体化结构,利用螺旋波电离产生的前向逃逸等离子体在进气道中形成预电离鞘层区,部分电离气体的密度扰动以离子声速向下游传播,导致进气道内不再出现激波界间断面,进入收缩进气道的气体被高效收集到螺旋波电离放电管,电离加速形成推力,来维持超低轨卫星的长时间在轨运行。     

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。     

自由分子流微电热推力器工作特性和性能研究

微推进地面试验系统由推进剂贮存供应控制单元、电源供应控制单元、虚拟仪器测控单元和推力器等组成。通过FMMFL的设计加工和地面试验系统建设,在大气状态下,对FMMR的工作特性和性能进行研究,并与理论分析和数值模拟计算结果进行了对比分析。研究结果表明,在大气状态下,基于MEMS的薄膜温度传感器和薄膜加热器工作稳定;当输入功率为14．6W,工作压强为100Pa时,推力器工作温度为600K。推进剂工质为N2时,质量流量为3．720mg／s,比冲为54．254s,推力为1．979mN;推进剂工质为H2O时,质量流量为2．976mg／s,比冲为68．163s,推力为2．000mN。FMMR的各项性能参数与理论分析结果一致。通过优化设计和系统集成,FMMR的性能将得到进一步提高。     

微波等离子体推力器流动模拟(英文)

采用N-S方程求解了100 W微波等离子体推力器(MPT)选用不同推进工质时的性能参数;并采用直接蒙特卡洛模拟方法(DsMC)对MPT羽流进行了数值模拟.结果表明,几种工质的推力变化不大,氮气为23.6 mN,氮气为24.8mN,氩气为24.8 nuN;但比冲区别较大,氮气为565.2 s,氮气为243.7 8,氢气为180.2 s.羽流场中,密度、压强及温度沿轴向和径向均逐渐减小;轴向速度在轴线附近变化不大,采用氩气工质时,约1 700 m/s,在远离轴线区域,沿流动方向逐渐增大,沿径向逐渐减小;径向速度沿轴向变化不大,沿径向逐渐增大,并在接近流动区域边界时迅速减小.     

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。     

基于微波等离子推力器的地球同步轨道卫星任务优化计算

将微波等离子推力器（MPT）应用于“东方红三号”（DFH-3）卫星的推进子系统，完成其轨道转移和南-北位置保持任务。建立了卫星任务和系统优化计算模型，采用遗传算法对卫星轨道转移和位置保持任务进行优化模拟计算，讨论了推力弧段和推力等对卫星变轨时间、MPT累积工作时间、卫星干质量和有效载荷的影响，结果表明，采用MPT可大大减少推进剂工质消耗，增加有效载荷，变轨时间明显大于化学推进，但小于相同电功率的其他电推进。     

航天特种及新概念推进动力系统专栏导语

正空天融合是航空航天发展的重要趋势,从临近空间到深空探测,是大国竞争的新疆域。适应于空天融合发展的新型推进系统是未来智能飞行器的"心脏",需要开展创新研究,从分子设计角度增大推进剂能量密度,从单一热力循环向多热力循环及变循环发展,动力推进技术与飞行器技术相互促进创新。面向临近空间高速宽空域飞行的吸气式组合动力、面向深空探测的新型电推进与大推力电推进和发动机智能设计与测试等新型推进技术日益受到国内外高度重视,本专栏邀请了国内相关学者将最新研究成果发表论文10余篇,涉及到超声速燃烧、组合动力、新型电推进、大推力电推进和智能仿真与测试等方面,起到促进新型空天推进技术交流与发展的作用。     

低轨航天器磁推进方法

基于地球空间磁场的磁作用效应,提出了一类低轨航天器无工质消耗的磁推进方法,并对航天器的高度保持进行了研究。该方法具有作用机理明晰、物理结构简单、控制策略灵活等特征。以磁场对磁体作用的磁矩理论为基础,建立了带磁航天器飞行的磁推力模型,提出了基于磁力线追踪策略的轨道高度保持方法。利用熟知的IGRF11地磁模型,通过数值仿真计算,验证了磁推进方法对于600～1000km圆轨道航天器进行高度保持的有效性。     

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。     

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。     

吸气式超声速导弹爬升段多约束轨迹优化

针对吸气式超声速导弹飞行过程多约束及强耦合的特性,研究了超声速导弹爬升段的轨迹优化设计问题。考虑吸气式推进系统与气动力、飞行轨迹的耦合,对超声速导弹冲压发动机的性能进行分析,揭示了吸气式发动机推力、静压裕度以及余气系数随飞行状态的变化规律;在考虑过载、动压、终端弹道参数及发动机参数等约束的条件下,建立多约束条件下的轨迹优化模型,提出一种适用于此类飞行器飞行轨迹与推力规律的优化设计方法,并对最小油耗的爬升弹道进行优化设计分析。仿真结果表明,该方法能有效解决吸气式超声速导弹多约束轨迹优化问题,可为吸气式超声速导弹的弹道规划与制导律设计提供参考。     

百千瓦级大功率磁等离子体动力推进系统设计研究

基于强磁场线圈的一种新型100 k W级水冷附加场磁等离子体动力推进系统MAT-100S(100 k W applied-field magnetoplasmadynamic thruster system)由强磁线圈、空心阴极、扩张型阳极、水冷系统、电源处理单元。推进剂供给系统,热控子系统等组成。目前,整个系统还处于研究之中,各个模块在进行研制和试验。已进行了在强磁环境下等离子体动力推力器的试验研究,对推力器的性能进行了初步测试。在磁场强度0.4 T下,MAT-100S达到1.35 N(34 m N/k W)推力、比冲4200 s、效率70%。试验结果表明,强磁环境下,MAT-100S推力上有明显提升,羽流特性也有显著改善。说明在强磁场下可有效提高推力器的稳定性和性能。通过和小功率电推进和化学推进在实际任务中进行对比,推进剂消耗只有化学推进的1/10,传统电推进的1/2。在完成任务时间方面,消耗的时间只有传统电推进的1/3。采用强磁场磁等离子体动力推进系统能够更好地完成轨道转移和深空探测等任务,是一种非常有发展潜力的推进系统。     

1 mN射频离子推力器参数与性能分析

射频离子推力器是空间电推进的一种,其推力性能是系统设计的核心问题。为获得推力特性随设计参数的变化规律,采用数值计算方法进行了研究,开展了1 mN射频离子推力器设计计算,对不同放电室尺寸、流量、射频功率、屏栅电压下的推力性能进行了分析并进行了工况优化。结果表明,模型能够正确地描述射频离子推力器性能变化规律,放电室内径25 mm的推力器即可以实现1 mN推力指标,在最优工况下,推力器推力1.176 mN,比冲2 503 s,效率53.13%,满足设计要求。根据该模型研制的推力器样机成功点火,验证了数值模型的有效性,可以利用该模型为射频离子推力器研制工作提供指导。     

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。     

吸气式PDE点火室引入氧气的试验研究

为了改善吸气式脉冲爆轰发动机的爆轰效果,在发动机的点火室内引入了氧气,并开展了系列试验研究,研究结果表明,点火室内引入氧气,提高了吸气式PDE的爆轰波压力与传播速度,缩短了点火起爆的时间,增加了发动机的平均推力,简化了发动机内的强化燃烧装置。与纯空气状况相比,爆轰波压力最大增加了1.28倍、爆轰波传播速度与发动机平均推力的最大增幅分别为69.57%和62.84%,点火起爆时间则相应减少了36.47%。点火室引入的氧气量存在临界值,小于临界值时随着引入氧气量的提高,发动机爆轰效果的改善越显著;大于临界值时,发动机会形成连续燃烧。     

一种GEO卫星平台电推进轨道转移技术

为解决传统化学推进方式比冲小、燃料携带量大等问题,将化学推进平台改为全电推进平台。全电推进可节省卫星燃料,增加卫星载重比,延长卫星使用寿命,并且支持"一箭双星"发射。通过调研国内外全电推进卫星平台的进展情况,设计出使用电推进的轨道转移方案,并与传统推进方式进行对比。分析结果表明:卫星发射质量为2 700 kg,使用2台300 mN的推力器并联工作,从地球同步转移轨道(GTO)至地球同步静止轨道(GEO)的转移时间约为6个月,消耗燃料约650 kg,可满足任务需求。     

微小超高压冷气推进系统动态工作性能仿真研究

用Amesim一维仿真软件对某微小超高压冷气推进系统(以下简称冷气推进系统)的填充过程、开机过程以及关机过程等动态工作特性性能进行了仿真分析。冷气推进系统包括气瓶、减压阀、电磁阀和喷管等四大组件,通过建立各组件的子模型建立了整个冷气推进系统的仿真模型。仿真结果与实验结果相吻合,验证了仿真模型的准确性。仿真结果表明该冷气推进系统的工作推力可达约200mN。     

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。