磁等离子体动力推力器加速机理研究与仿真

磁等离子体动力推力器具有高比冲、大推力的特点,是一种非常有前途的空间电推进形式。为进一步提高推力器的性能,需要进行强磁场下的推力器加速机理研究。与传统小功率电推力器相比,磁等离子体动力推力器功率大,推进剂流量大,导致实验研究难度大,成本高,存在一定的危险性。利用等离子体电导率模型和磁流体方程组,对强磁环境下推力器进行建模,在0.2、0.53、0.66、1.54 T不同磁场强度下进行了仿真。结果表明,推力器比冲和电压随着磁场强度的提高而增加,比冲变化范围3400～4650 s,电压变化范围120～236 V,推力器效率先增加、后减小,从60.8%增加到72.6%,最后减小到57.9%。研究结果表明,磁流体模型和电导率模型能够反映出磁场对等离子体的加速作用,磁场强度会影响比冲和效率。该模型可为以后推力器的设计和优化提供参考。     

铋工质阳极层推力器的研究与发展

阳极层推力器(TAL)作为一种高功率、比冲、效率的电推力器逐渐成为国内外研究机构关注的重点，其在深空探测领域具有巨大应用潜力。然而，传统的氙工质不仅价格昂贵、提纯难度大、需要高压贮存，而且不能充分发挥TAL的性能优势。固体金属铋工质具有贮存密度高、成本低、易电离等特点成为代替氙工质的理想选择。本文根据TAL的工作原理与结构特点，对铋工质的适用性进行论述。首先对该推力器的研究现状和发展趋势进行概述;其次对铋工质的性能优势进行了阐述;然后对该推力器的结构组成、工作原理及关键技术进行总结与分析;最后对该推力器的应用前景进行展望。     

低功率氮气电弧加热推力器稳定性的实验研究

电弧加热推力器的稳定性是关系到推力器可靠性和寿命的关键问题。在分析影响稳定性的各种因素基础上,对传统低功率氮气电弧加热推力器进行性能测试,并总结了影响推力器稳定工作参数的原因,通过改进推力器的阳极结构,人为地将阳极弧点位置约束在扩张段,在工作稳定性和烧蚀方面获得了明显改善。     

空心阴极耦合放电的寿命损耗机理研究综述

空心阴极和离子推力器或霍尔推力器的耦合放电与其和平板阳极的独立放电有明显差异,主要表现为工作特性不同和寿命大幅缩短等。基于空心阴极的设计寿命与其在推力器中实际寿命显著不同的事实,归纳分析了空心阴极在推力器中寿命缩短的主要原因,总结了推力器中电场、磁场、背景中性气体密度等因素对空心阴极寿命的影响机理研究现状,并提出需要进一步深化的主要研究内容。     

80 mN霍尔推力器空心阴极寿命试验

我国的多个GEO卫星平台即将采用电推进系统完成轨道保持任务,其中比冲为1 600s的80 mN霍尔推力器是国际公认的最适合完成该项任务的推力器,也是目前国外卫星和深空探测器应用最广的电推力器.为满足15年GEO卫星寿命要求,80 mN霍尔推力器必须达到7500h和8 000次点火的寿命指标.空心阴极作为霍尔推力器的重要组件,其寿命和点火次数必须达到相应的指标.为此,上海空间推进研究所开展了80 mN霍尔推力器空心阴极的寿命试验,试验采用模拟推力器阳极的三极管工作方式进行.截止2013年8月上旬,试验件1完成10 322 h寿命试验（含4 549次点火）,试验件2完成24 248次加热器热循环试验.空心阴极的寿命已经达到任务要求,两个试验件的放电电压、触持极电压和点火时间等性能指标变化很小,目前试验还在持续进行中.     

碘工质霍尔推力器内部过程数值模拟

随着霍尔推力器的大力发展，碘工质霍尔推力器越来越受到研究人员的重视。深入了解碘工质霍尔推力器放电室内部过程，为优化推力器性能和拓展空间应用提供依据。建立了二维PIC/DSMC/MCC混合方法模型，结合鞘层和二次电子发射模型，根据碘工质特性，加入解离-电离过程，在定壁温条件下，针对200 W碘工质霍尔推力器放电室内部过程开展了数值模拟，考察其放电室内等离子体的多场耦合特性以及与壁面的相互作用过程。研究其放电通道内部的等离子体行为，分析放电室内的等离子体参数，获取其离子数密度、离子轴向运动速度、电子温度等特征参数，将模拟结果和氙工质进行比较。结果表明:相较于氙工质，碘工质霍尔推力器存在解离区，宽度约为2 mm，位于近阳极区之后、电离区之前。     

N2O微推力器性能及喷管热结构分析

针对采用氧化亚氮推进剂的单组元微推力器开展了比冲性能影响因素的分析,分析结果显示微推力器比冲与氧化亚氮分解效率及喷管扩张比有着密切关系。利用有限元分析法对高空及地面试验两种工况下氧化亚氮单组元微推力器喷管的结构温度场开展了数值仿真计算,并在结构温度场仿真计算的基础上进一步对地面试验用喷管的结构应力场进行了分析。初步试验表明,所设计的微喷管在地面工况下工作良好。     

霍尔推力器工作性能数值模拟研究

为了模拟霍尔推力器推力、比冲等工作性能,采用粒子网格单元与蒙特卡洛相结合(PIC/MCC)方法,建立了霍尔推力器二维轴对称模型。模型中电子和离子均采用粒子描述,中性原子为背景气体,自洽电势通过求解泊松方程获得。跟踪推力器出口处离开的离子数量、轴向速度等信息,通过统计计算得到推力器的推力、比冲。以LHT100推力器为研究对象,针对不同的工作参数(阳极流量在4.6~5.4 mg/s,阳极电压在280~320 V之间)共进行了9种工况数值模拟,并进行试验对比验证,模拟结果与试验测试结果均较好吻合,最大误差小于10%。     

自由分子流微电热推力器数值模拟计算

基于微机电系统技术的自由分子流微电热推力器(FMMR)是一种微型电热推力器,它具有集成化程度高、体积小、质量轻、响应速度快、推质比高、可靠性高和易于集成为推进阵列等特点,它在军事和民用微/纳航天器方面有广阔的应用前景。通过建立合理的数学模型,如分子与壁面相互作用模型采用CLL模型,分子模型采用变径硬球模型,分子碰撞对的选取采用取舍方法。采用直接模拟蒙特卡罗方法结合信息保存法对FMMR的流动特性进行了数值模拟计算和性能计算,并对影响推力器性能的各种因素进行分析。计算和分析结果表明,当采用氩气和水作为推进剂工质,薄膜电阻温度为600K,工作滞止压强为500Pa时,FMMR推进单元的比冲分别为47.900s(1s=9.8N·s/kg)和68.163s,推力为0.158mN,效率为25.8%。通过优化设计、系统集成等可以进一步提高推力器的比冲、推力和效率。     

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。     

双组元离心式喷注器10 N发动机偏工况试验

根据国内外同类发动机研制经验,双组元10 N发动机在入口压力为0.8~2.2 MPa范围内,入口压力偏差会使发动机真空比冲、燃气温度等性能产生较大变化。为了获得双组元离心式喷注器10 N发动机在落压推进系统要求的入口压力范围内性能,通过采用小流量喷雾试验台和42 km高模试验台,对偏工况条件下的冷态性能及热试性能进行试验研究。试验结果表明:该发动机额定入口压力1.58 MPa时真空比冲为2881 N·s/kg;当入口压力在0.6~2.5 MPa变化时,对应真空推力从4.7 N增加到14 N,落压比为3;入口压力0.6 MPa时真空比冲为2600 N·s/kg,入口压力2.5 MPa时真空比冲为2956 N·s/kg;入口压力在0.6~2.5 MPa试验范围内,发动机燃烧室壁温均低于材料许用温度,表明发动机热设计优良,可满足双组元落压推进系统对姿控发动机的性能需求。     

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。     

Development of HEP-XXMF Series Hall Thrusters in BICE

Hall thruster is a type of electric propulsion thruster which is often regarded as a moderate specific impulse space propulsion technology and is used primarily for station keeping and orbit maintenance tasks. Magnetic field is the most important aspect in Hall thruster's design. Each time the performance improvement of Hall thrusters is accompanied with the regeneration of magnetic field design. Now, all the major space nations treat the magnetic field design as the key technology for Hall thrusters, and many Hall thrusters have emerged in recent years, for example, BPT-4000 and NASA-173 M. In China, based on magnetic focus technology, the Beijing Institute of Control Engineering(BICE) has been developing Hall thrusters ranged from hundreds of watts to 5 kilowatts, including the 1500 W HEP-100 MF and the 5 k W HEP-140 MF Hall thrusters. This paper briefly reviews the development of the HEP-XXMF series Hall thruster. The principle of the Hall thruster, the design methods and the current status of HEP-100 MF and HEP-140 MF are discussed in the paper.     

离子液体电喷推力器的关键技术及展望

首先介绍离子液体电喷推力器的工作原理和分类，通过与其他相同推力量级的电推力器对比进一步分析了其特点，然后总结了离子液体电喷推力器的国内外研究现状，在此基础上重点梳理了微尺度下带电粒子的产生与加速、微细制造与精密装配、推进剂贮存和供给、高升压比微功率电源处理单元以及比冲和推力测试等离子液体电喷推力器研制过程中涉及的关键技术，最后展望了小型化、模块化与推力密度提升的发展趋势并提出离子液体电喷推力器的发展构想。     

离子推进器C/C复合材料栅极研究

栅极是离子推进器的关键部件之一,直接影响推进器的可靠性和寿命。由于C/C复合材料栅极具有比较小的热膨胀系数和较强的耐溅射性,可以提高离子推进器的可靠性并延长其寿命。文章通过调研综述C/C复合材料栅极的研究和应用发展状况,针对目前我国离子推进器的研究发展水平,提出开展C/C复合材料栅极研究工作的初步思路。     

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。     

两种激光烧蚀微推力器工作模式的讨论

激光烧蚀微推力器技术是激光推进技术最有可能率先实现工程应用的技术研究方向。作为一种新型的空间推进领域电推进推力器技术,以其系统集成度较高、电功耗较低、冲量元精准等优势特性,在推进性能和系统集成等方面形成鲜明的特色,对于多种空间推进任务具备潜在的应用价值。以激光烧蚀微推力器发展历程为背景,总结提炼当前推力器技术发展趋势,提出了激光烧蚀微推力器目前最具研究价值的两种工作模式,分别对高低比冲两种不同工作模式进行了性能分析和比对,对激光烧蚀微推力器应用前景进行了展望,最后给出了进一步研究的建议。     

Very high delta-V missions to the edge of the solar system and beyond enabled by the dual-stage 4-grid ion thruster concept

A new and innovative type of gridded ion thruster, the “Dual-Stage 4-Grid” or DS4G concept, has been proposed and its predicted high performance validated under an ESA research, development and test programme. The DS4G concept is able to operate at very high specific impulse and thrust density values well in excess of conventional 3-grid ion thrusters at the expense of a higher power-to-thrust ratio. This makes it a possible candidate for ambitious missions requiring very high delta-V capability and high power. Such missions include 100 kW-level multi-ton probes based on nuclear and solar electric propulsion (SEP) to distant Kuiper Belt Object and inner Oort cloud objects, and to the Local Interstellar medium. In this paper, the DS4G concept is introduced and its application to this mission class is investigated. Benefits of using the DS4G over conventional thrusters include reduced transfer time and increased payload mass, if suitably advanced lightweight power system technologies are developed.A mission-level optimisation is performed (launch, spacecraft system design and low-thrust trajectory combined) in order to find design solutions with minimum transfer time, maximum scientific payload mass, and to explore the influence of power system specific mass. It is found that the DS4G enables an 8-ton spacecraft with a payload mass of 400 kg, equipped with a 65 kW nuclear reactor with specific mass 25 kg/kW (e.g. Topaz-type with Brayton cycle conversion) to reach 200 AU in 23 years after an Earth escape launch by Ariane 5. In this scenario, the optimum specific impulse for the mission is over 10,000 s, which is well within the capabilities of a single 65 kW DS4G thruster. It is also found that an interstellar probe mission to 200 AU could be accomplished in 25 years using a “medium-term” SEP system with a lightweight 155 kW solar array (2 kg/kW specific mass) and thruster PPU (3.7 kg/kW) and an Earth escape launch on Ariane 5. In this case, the optimum specific impulse is lower at 3500 s which is well within conventional gridded ion thruster capability.     

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。