磁等离子体动力推力器发展历程及工程应用中关键技术分析

磁等离子体动力推力器具有比冲高、推力密度大的特点,被认为是未来大功率空间任务最有潜力的推进方案之一。作为电磁推进装置的一种,磁等离子体动力推力器的性能与磁场密切相关。文章从磁场来源的角度讨论了磁等离子体动力推力器的发展历程,分别介绍了自身场磁等离子体动力推力器和附加场磁等离子体动力推力器的工作原理以及几款典型的推力器原理样机的结构和特点。此外,分析了推力器综合效率与磁场产生效率之间的关系,针对磁等离子体动力推力器的工程应用中的一些关键技术进行了探讨,具体包括大功率空间能源系统、推力器寿命、推力器小型化和轻质化等方面,并列举了国内外研究机构在这些方面做出的部分研究工作。最后对磁等离子体动力推力器的未来发展方向进行了展望。     

一种新颖的微空心阴极放电等离子体推力器

微小卫星的发展和成功应用迫切需要新型微推力器的研制。微放电技术是等离子体放电中重要的一类,近几十年来成为各国的研究热点。其中,微空心阴极放电(MHCD)是一种新颖的非平衡高气压辉光放电,其优点是可以在高气压下稳定放电,并且只需要非常低的电压(几百伏特)或者输入功率(百毫瓦数量级)。MHCD建立在2个几百微米厚度的金属平面电极上,材料可以是钼、铝等,由电介质(云母或氧化铝)隔开。"三明治"的布局结构上从一个电极到另一个电极钻有直径为几十微米到几百微米的孔,气体压强可以很高,甚至超过大气压。微空心阴极放电较小的尺寸结构与强烈并可控的气体加热相结合,可以开发应用在新型的电热式微等离子体推进上。由于微空心阴极放电等离子体推力器在微放电等离子体中加热了工质气体,随后通过微喷管喷出产生推力,因此与传统的冷气微推力器相比,可大大提高推力器的比冲和推力。     

同轴型微阴极电弧推力器的设计及性能测试

为了给微纳卫星在轨动作提供合适的推力,研制了一种同轴型微阴极电弧推力器(CA-μCAT),采用同轴布置的棒状阳极和圆筒形阴极,利用真空环境下电弧放电产生的高温烧蚀金属阴极,电离产生等离子体,并在多物理场耦合作用下高速喷出推力器产生推力。文章分别对该推力器的放电特性、推进剂烧蚀速率、等离子体离子电流、元冲量等多个参数进行了测量与分析。结果表明,该推力器能够持续稳定点火运行,电离率在4%～7%;无外加磁场下,元冲量和比冲分别为0.485μN·s和195.6 s;在磁感应强度为0.044 T时,元冲量和比冲分别为1.285μN·s和518.2 s;平均推力在10μN量级。     

场发射电推力器的研究现状及其关键技术

与传统的化学推进相比,电推进具有高比冲、小推力、长寿命等特点,能够大幅节省推进剂、增加有效载荷质量,从而增加航天器在轨寿命,提高航天器的整体性能与收益,特别适合用于航天器的姿态控制、轨道转移和深空探测等任务。场发射电推力器是一种具有比冲高、推力冲量分辨率高、推力噪声低、功耗及成本低、结构紧凑等优点的电推力器,是重力梯度卫星的高精度阻力补偿、微纳卫星的姿态控制和轨道转移、星座编队飞行等任务最有前景的推进技术之一。简述了场发射电推力器的工作原理、结构和特点,重点分析了国内外场发射电推力器的研究现状以及关键技术。     

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。     

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。     

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。     

用于微小卫星推进装置的脉冲等离子体推力器

论述了脉冲等离子体推力器(PPT)的工作原理和研究状况。在分析其主要优缺点的基础上，讨论了PPT技术的发展方向，并就PPT的应用前景作了展望。分析认为PPT是一种先进的小推力动力装置，特别适合于微小卫星的轨道转移、姿态控制、位置保持以及星座编队飞行。     

固体微推力器阵列的推力估计与分配补偿方法

针对固体微推力器阵列(SPMA)中微推力器一次性点火，推力测试中难以获得精确推力的特点，为实现推力在线估计和实时补偿，提出一种利用二次规划对微推力器阵列推力进行估计，同时结合混合整数规划算法进行推力分配的方法，对估计算法收敛性以及控制系统稳定性进行了分析。该方法在不修改控制律的前提下，对推力器推力进行在线估计，并采用推力分配的方法实时补偿推力器出现的推力偏差，对系统稳定性的分析证明该方法可以保证系统的有界稳定。将其应用到微纳卫星编队保持中，仿真结果表明，在微推力器阵列出现推力偏差的情况下，该方法能很好地补偿推力偏差对控制系统造成的影响。     

霍尔推力器振荡问题的研究综述

自前苏联1971年将霍尔推力器成功地应用以来,霍尔推力器以其优异的性能,在卫星 轨道保持和变轨运行过程中成为最佳动力装置之一,由于霍尔推力器自身工作原理所产生的 等离子体振荡,其频率从几十kHz到几GHz,包含推力器中各种物理现象、与推力器中粒子电 离、加速、传导等等离子体微观物理过程息息相关,一直是该领域的研究热点和焦点问题。 系统总结了各国主要研究机构对于霍尔推力器振荡问题的理论和实验研究成果,结合自 身对霍尔推力器等离子体振荡物理过程的认识,分析了目前尚待解决的振荡问题,对于进一 步深入研究霍尔推力器的等离子体振荡问题具有一定借鉴意义。     

基于固体微推力器阵列的卫星控制一体化算法

为了使固体微推力器阵列更具实用性,提出了一种适用于一体化控制的推力器布局方法;对基于固体微推力器阵列的推力器姿轨控分配算法问题分别进行了建模,引入了成本概念,保证推力器使用个数最少;将动态规划及贪心策略思想引入到了推力器分配问题求解中,建立了求解数学模型,进行了算法实现;对用于一体化控制中的推力器分配问题以及信息共享问题进行了分析。经过算法分析及仿真验证,该方法能有效快速求解该问题,有利于实现实时控制,能满足一体化控制的要求。     

甲烷/氧气双组元微型推力室的实验研究

为研究微小推力室的工作特点,建立了双组元微小推力室的地面实验装置和数据采集系统。在内径为4mm,喉部直径为0.4mm的微小推力室内,采用氧气和甲烷气体作为推进剂进行了点火热试车,实时测量燃烧室压力和壁面的温度分布。实验结果表明,在富燃工况下,随着混合比的升高,燃烧温度和燃烧室压力逐渐升高;当混合比一定时,随着总流量的增加,燃烧室压力增加,微小推力室的推力和比冲也在升高。微小推力室的真空推力达到120mN,真空比冲达到了240s。     

大规模固体微推力器阵列点火关键技术

为了将固体微型推力器阵列应用于姿轨控,需要对点火相关技术进行研究。分析了点火电路在姿态、轨道控制上的应用问题;设计了适用于大规模阵列的驱动电路,通断可控,能够满足点火需要;研究了点火延迟时间以及单次多组点火的间隔时间,当点火功率为2 W时,点火延迟时间经测试最大为7.6 ms,而点火间隔时间经测试最小为50μs。经过综合测试实验,点火成功率能够达到100%,验证了点火系统相关模块的可靠性和匹配性;经过控制仿真,验证了该系统能够满足卫星姿轨控需要。     

光敏推进剂激光烧蚀过程建模与仿真

相较于传统大卫星,微小卫星具有结构紧凑、质量轻便和成本低廉的特点。然而,受功率和质量负载的限制,微小卫星一般不装备推进系统,其航线也局限于近地轨道。为扩展微小卫星的功能,满足日益复杂的任务需求,需给其配备合适的微推进系统。固体推进系统具有结构简单、寿命长、可靠性高的优点,但无法重复启动。为得到可重复启动的固体微推进系统,设计了一种非自持燃烧的光敏推进剂,采用激光控制其燃烧。在背压为大气压的环境下,利用高速摄像机拍摄燃烧过程并记录燃速。之后,对光敏推进剂的激光烧蚀过程进行建模。分析结果表明:激光可控制光敏推进剂的燃烧,燃速与激光强度成线性关系;该光敏推进剂的最小激光点火强度为0.28 W/mm~2;燃速计算值与实测值的误差在10%以内,证明该数学模型具备工程应用价值。     

ICAN: A novel laser architecture for space debris removal

The development of a fiber based laser architecture will enable novel applications in environments which have hitherto been impossible due to size, efficiency and power of traditional systems. Such a new architecture has been developed by the International Coherent Amplification Network (ICAN) project. Here we present an analysis of utilizing an ICAN laser for the purpose of tracking and de-orbiting hyper-velocity space debris. With an increasing number of new debris from collisions of active, derelict and new payloads in orbit, there is a growing danger of runaway debris impacts. Due to its compactness and efficiency, it is shown that space-based operation would be possible. For different design parameters such as fiber array size, it is shown that the kHz repetition rate and kW average power of ICAN would be sufficient to de-orbit small 1–10 cm debris within a single instance via laser ablation.     

固体微型推力器应用设计

为了使固体微型推力器阵列应用于微型卫星控制,须要解决推力器的布局设计以及推力器阵列设计问题。提出了一种以正六边形为基元的推力器阵列方法,研究了推力器阵列的特点及规律,进行了应用分析;研究了推力器阵列的最优布局方式,设计了一种基于解耦控制的推力器布局设计,分析了该布局下的冲量和冲量矩的包络面。以正六边形为基元的推力器阵列方式能够满足微型卫星姿轨控的需要,推力器分布规律性强,利于分配算法设计;采用正六面体方式的布局设计,其冲量和冲量矩包络面亦为正六面体。     

中低轨道卫星星座间的激光链路

阐述在中低轨道卫星星座全球通讯网络中应用的激光星间链路与在中继星间应用的激光星间链路相比，所具有的明显的优势。同时给出了应用于小卫星上的小光学用户终端的基本组成，并指出了当前在中低轨道卫星星座激光星间链路研究中所应当进行的主要研究方面。     

地基激光测距系统观测空间碎片进展

卫星激光测距作为地基光电望远镜系统重要技术应用,可直接精确测量空间碎片距离,提升碎片目标轨道监测精度。基于上海天文台60 cm口径激光测距望远镜,应用百赫兹重复率高功率激光器、高效率激光信号探测系统等,建立了空间碎片激光测距系统,实现了对距离500~2600 km、截面积0.3~20 m2的碎片目标观测,测距精度优于1 m,具备了碎片目标常规测量与应用能力。此外,开展了空间目标白天监视技术研究,实现了亮于6星等恒星的白天观测,并进行了望远镜局部指向误差模型分析,分析结果可应用于空间碎片白天激光观测的目标监视与引导。