自增压式丁烷微推进系统建模与工作特性仿真研究

利用AMESim+AMESet建立了丁烷微推进系统一维仿真模型，该模型包含：考虑丁烷相变的自增压贮箱、稳压气容、PID控制的电加热推力器等组件.研究自增压贮箱、电磁阀、气容和推力器的静态工作特性，分析气容体积和推力器加热功率以及推力器扩张比对系统工作特性的影响，对丁烷推进系统的动态响应特性进行探讨.结果显示，自增压贮箱内流体在温控系统的控制下能够实现稳定的压力，在变目标推力时系统的响应较快，增加气容体积有利于提高系统工作稳定性.当前推进系统在稳定工作时的推力器最大质量流量为0.079 g/s，最大推力为102 mN.贮箱自增压过程中PID温控对贮箱内工质压力具有重要影响.无温控时，推进剂的持续流入和蒸发造成贮箱液体丁烷排空时的气容压力下降了19.5%；施加PID温度控制后，气容内工质压力稳定在0.302 MPa，工质温度会快速稳定在293.15 K附近.较大的气容体积能够让推力输出更稳定.通过电加热推力器腔体内的丁烷气体可以有效提高推力.推力器加热功率从0 W增加到30 W时，推力从92 mN增加到114 mN，比冲效率从76.2%增加到94.3%.     

从束之高阁到趋之若鹜

什么叫“比冲”?推力器的性能常用“比冲”来表示。比冲就是每秒钟喷出1千克工质所产生的推力大小。比冲越高,说明产生同样大小的推力所需消耗的工质越少,效率越高。所以,电推力器的比冲比化学推进系统高几倍至几十倍。但是,比冲高的推力器,推力不一定大,火箭的推力等于每秒钟喷出物质的质量与比冲的乘积,电推力器喷出物质的流量是很微小的,故产生推力也很微弱,一般为几毫牛至几百毫牛。     

化学-电喷双模推进系统的研究现状及展望

传统的化学推进和电推进拥有不同的特点及适用范围。化学推进可以产生毫牛级至牛级推力，相比于电推进，推力大，推力范围宽；电推进比冲高达上千秒，最小可以产生微牛级推力。但两种模式单独执行任务有一定的局限性，难以完成较为复杂的航天任务。化学推进与电推进相结合的双模推进系统，同时拥有高比冲和较宽的推力范围，为航天器提供了更高的任务灵活性，其中单组元液体火箭发动机 离子液体电喷推力器双模推进系统近年来受到广泛关注。简述了单组元 电喷双模推进系统的工作原理和特点，重点总结了国内外关于双模推进的研究现状，并对目前面临的问题与挑战进行分析。     

N2O单组元微推力器性能分析及试验

N₂O单组元微推进是当前微推进领域的一个热点问题.在N₂O催化分解热力计算的基础上开展了对N₂O单组元微推力器比冲性能影响因素的分析,分析结果表明微推力器比冲与N₂O分解效率及喷管扩张比有密切关系.所开展的亚牛级N₂O单元微推力器催化分解试验结果表明所设计N₂O单元推力器能在250℃初温条件下启动,初步验证了N₂O单元微推力器的可行性;也揭示了推力室结构及床载大小对亚牛级N₂O单元微推力器性能的影响,为进一步的结构及试验设计提供了参考.     

变比冲连续小推力轨迹优化方法综述

电推进是目前常用于深空探测任务的推进方式。电推进发动机的比冲是变化的，所以变比冲电推进模型更加符合工程实际，对于变比冲连续小推力轨迹优化方法的研究具有工程应用前景。常用的变比冲电推进简化模型有三种：比冲在区间内变化、比冲随距离变化和功率分档变化，它们都对应于真实发动机系统工作的原理和方式。关于此三种模型下的轨迹优化方法，常用的有直接法和间接法，但是由于存在方法的不足和模型的特殊性，会在直接法和间接法的基础上增加改进的策略。本文综述变比冲电推进的简化模型和适用于变比冲连续小推力轨迹优化设计的方法。     

微型镓场发射电推力器的研制和点火特性

为了满足立方星等微纳航天器对推进系统的需求,研制出中国首台针式微型镓场发射电推力器。通过提高润湿温度解决了真空环境下镓难以充分润湿钨针等问题。实现了推力器的稳定点火,测试了不同润湿温度和不同几何参数下的点火特性。得到了发射电流随润湿温度提高、极间距减小和吸极内孔直径的增大而增大的关系。通过公式计算,给出了不同发射电流下的理论推力。通过电场仿真得到不同几何参数下的电场强度,揭示了几何参数影响发射电流的原因。     

基于SiC MEMS阵列的高精度微纳卫星编队保持

随着微纳卫星的发展,对它的控制保持问题亟需解决。传统的推进技术因推力精细度和推力输出相对粗糙,很难满足高精度的要求,为此,提出了用SiC MEMS微推力器阵列来解决微纳卫星的编队保持问题。由于阵列具有与传统发动机不同的特性,一般的控制算法很难用于该控制任务,文章提出了利用瞬时脉冲控制策略来实现编队保持。仿真结果表明,阵列用于微纳卫星近距离编队保持的位置精度可达3mm,具有很高的应用价值。此外,为节省推力器,分析了单推力器装药量与控制器参数对能耗和精度的影响,结果表明当单推力器元冲量范围为8×10~(-6)~20×10~(-6) N·s时可以得到很好的控制效果,既能满足精度,又可以节约使用推力器。     

LHT40低功率霍尔推力器放电特性试验

为了获得300W级混合励磁模式低功率霍尔推力器的放电特性，采用一套高精度激光微推力测量装置和集成离子流诊断装置获得推力器不同工况下推力、比冲、效率、束流发散角和质量利用效率的变化特性。试验结果表明，推力器的推力、比冲、阳极效率在200～300V存在一个最大值；放电电流、放电电压呈现无阻尼谐波振荡特性，其一阶频率大约4.05kHz。在恒定电场和磁场下，推力器束流离子电流密度呈现双极扩散的结构；阳极流率增大至0.95mg/s时，离子电流密度呈现典型的双峰结构，质量利用效率与质量流率呈现正相关的特性。     

基于电磁自动加载的姿控发动机推力架标定控制系统设计

推力是反映姿态控制发动机性能参数的关键指标，对推力测试系统的精确标定是准确测量推力矢量的前提，同时，提升标定系统的自动化程度是亟需解决的问题。重点介绍了一种应用电磁悬浮技术的姿态控制发动机推力测试平台，并设计了针对推力测量传感器的电磁自动加载标定系统。仿真与试验结果表明，该系统能实现满足精度需求的多回程自动标定，有效提升系统的自动化程度以及标定效率和准确度。     

主带小行星采样返回任务中的离子电推进应用方案

由于离子电推进的高比冲特性,采用它执行小行星探测器巡航阶段轨道机动任务时,将使探测器在同样的有效载荷下的发射重量大大减轻。针对我国规划中的主带小行星采样返回任务,调研了国外离子电推进在深空探测任务中的应用情况,在借鉴国外成功经验和任务需求分析的基础上,设计了主带小行星探测器离子电推进系统方案和应用策略,计算了在目前离子推力器寿命水平下,既定探测任务对离子电推进推力、比冲、推进剂量以及功耗需求。研究表明,目前研制的离子推力器可以满足规划中的主带小行星探测任务需求。研究成果对探测器的方案设计有参考价值。     

Integrated design of solar thermal propulsion system for microsatellite with liquid ammonia as propellant

This paper presents a design of solar thermal propulsion (STP) system for microsatellite with liquid ammonia as propellant. The system was equipped with two concentrators, which were respectively placed in the tank and thrust chamber for propellant supply and heating. A platelet heat exchanger was adopted to heat the propellant in the chamber, and the fluid–solid coupling effect between the wall and the gas was considered. Meanwhile, the effects of satellite mass, initial orbit, nozzle size and target temperature on the performance of STP system were analyzed. The results show that for microsatellites with a total mass of 100 kg, the STP system can fully heat the propellant to more than 2050 K, generate an intermittent thrust of about 26 N, and enable the satellite to obtain a velocity increment of more than 1470 m/s within 19 days, consuming only 42 kg of propellant, which can directly meet the transfer mission from the geostationary transfer orbit (GTO) to the geostationary orbit (GEO). The maximum velocity increment could reach more than 1950 m/s when the propellant was completely consumed; Changing the mass and initial orbit of the satellite will not affect the thrust and specific impulse. Satellites with smaller mass will spend less time and propellant during orbit transfer. The lower is the perigee height of the initial orbit, the greater is the propellant consumption, while the shorter is the time of orbit transfer; The reduction of nozzle throat size and target temperature will lead to the increase of specific impulse and the decrease of orbital transfer time, but the reduction of thrust.     

自由分子流微电热推力器流动模拟与性能预示

为了精确的预示自由分子流推力器(FMMR)在不同工质、工况下的性能,采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法模拟FMMR内气体流动,计算了不同工质气体、工作压强和加热温度条件下的FMMR推力、比冲等性能,分析了工质、工作压强和加热温度对FMMR性能的影响。计算和分析结果表明,工质气体的选择不影响FMMR的推力性能,但随着工质气体相对分子质量的减小,推力器比冲迅速增加;在总压50~500Pa,温度300~600K条件下,推力器的比冲随总压和加热温度的增大而增加,推力随加热温度增大而减小,随总压增大而增大。     

微爆轰推力器的冲量计算

轻型微爆轰推力器由许多装有微量含能材料的推力单元组成。文章利用瞬时爆轰假设以及小药量线性近似，假设推力单元内的微量含能材料的爆轰反应在瞬时完成，从理论上计算了微爆轰推力单元在真空中的冲量和推力；并在此基础上研究了含能材料的爆热、产物的等熵指数以及喷管长度对单元的冲量和推力的影响。研究结果表明，推力单元的冲量随装药质量、等熵指数和比爆热的增大而增加；为了获得理想的推进性能，喷管的长度不能小于装药长度的4倍。     

国外电喷推进技术发展与趋势

电喷推进是一种具有高比冲、高效率、快启动、高集成度的微小功率电推进技术,非常适合于微纳卫星轨道转移、位置保持任务和引力波探测器等较大型航天器的高精度姿态控制、无拖曳控制等任务。电喷推进技术概念形成于1960年。国外电喷推进在经历了曲折的发展历程后,从20世纪90年代开始,在微制造、新材料、离子液体、高性能电源等技术大幅进步的推动下,取得了巨大进展,目前已经达到空间应用水平。美国、瑞士、英国研究电喷推进较深入,其中又以美国投入最大、创新最显著、成果最丰富。美国MIT大学提提出并开展了有利于实现高比冲和批产化的iEPS系列电喷推力器芯片研究,近年来主要在开展推力密度和可靠性提升的研究工作。Busek公司主要发展大推力和宽调节电喷推进。密苏里科技大学提出并开展了基于一种含能液体推进剂的、具有化学推进模式和电喷推进模式的化电双模微推进技术研究。密歇根理工大学则提出了基于铁磁流体的流体成型发射体电喷推进技术。本文通过对国外电喷推进发展历程、最新进展的研究,提出了电喷推进发展趋势以及对我国电喷推进发展的建议。     

Feasibility analysis of solar thermal propulsion system with thermal energy storage

Possessing relatively high specific impulse and moderate thrust levels, solar thermal propulsion (STP) is a promising candidate in spacecraft propulsion system. However, the traditional solar thermal propulsion system suffers from thrust failure in the shadow area, which seriously affects its applicability. In this paper, we investigate feasibility of regenerative solar thermal propulsion system (RSTP) incorporating thermal energy storage, which can effectively overcome unmatched synchronous working time and illumination time. A numerical model for RSTP considering the whole energy transfer process from light concentrating, heat storage, to thrust generation is built, which is verified by experiment measurements with relative errors less than 15 %. The result shows that the maximum time to complete heat storage is about 4000 s, which is within the illumination time for low Earth orbit. In the solar eclipse region, the thrust (F_t) and the specific impulse (I_sp) of the system increase with the propellant flow rate, which can reach about 2 N and 690 s, respectively. What’s more, the system can operate for around 100 s continuously at the maximum thrust in the shadow area. This work provides alternative approaches for microsatellite propulsion with high specific impulse, high thrust, and continuous operation despite presence of solar eclipse.     

In orbit performance of butane propulsion system

The present work focuses on the determination of the in orbit performance of the Alsat-1 microsatellite propulsion system. The satellite mass is 90 kg, of which 6.2 kg is the propulsion system dry mass. The system is a butane propulsion system using low power resistojet thruster with 2.3 kg of propellant. The liquefied butane gas was selected due to its higher storage density and safety compared to the other propellants used for microsatellites. The purpose of this paper is the analysis of the firings performed after the launch of the satellite and to evaluate the system specific impulse and thrust level during the system lifetime. A total of 273 firings were performed on the Alsat-1 propulsion system in the period between the end of 2002 and mid 2009, the cumulated firing time is more than 12 h 49 min. The analysis of all the propulsion telemetry data shows that the system provides a total mission delta V of 25.3 m/s which is more than the 10 m/s specified for this mission. Furthermore, the mission average specific impulse and thrust are respectively 99.9 s and 48.8 mN.     

小行星探测电推进系统方案研究

小行星探测以及资源开发与利用对国家抢占深空探测主动权和制高点有着不可估量的战略意义。电推进具有高比冲、长寿命和高度自主巡航等特点,小行星探测器采用电推进执行巡航阶段轨道机动任务,将大幅减少推进剂重量和提高载重比。调研了国外小行星探测的电推进系统方案,针对我国小行星探测对电推进系统的任务需求及现有电推力器的技术基础,提出了5种电推进系统方案,并进行多维度对比,对最优方案进行了设计和关键技术梳理。     

新型二维推力矢量喷管数值模拟

针对现有流体推力矢量控制方案的不足,提出利用喷流附壁效应的新型矢量喷管,借助于尾喷管射流对固壁延伸面的跟随作用控制尾喷流方向,实现推力转向.在此基础上采用限制流量的方法调节喷流的抽吸程度,产生不同的横向压力梯度,达到了矢量化控制推力转向的目的.运用这一概念设计了二维矢量喷管,用数值实验方式验证了喷管的推力转向效果,采用限制流量方法得到的最大矢量角度约13.3°,进一步结合射流控制可以使矢量偏角达到20°以上.通过对该喷管流场的数值计算研究,探讨了该矢量喷管内喷流转向形成的流动机理,从推力损失、转向效率上对喷管的性能特点进行了分析,为下一步开展实验研究奠定了基础.