深空探测聚变推进装置技术路线与研究现状综述

聚变推进技术凭借其能量密度大和高比冲等显著优势,在深空探测研究中受到广泛关注。本文介绍了三种前沿聚变推进装置（反场构型感应驱动金属衬层压缩聚变推进探测器、梯度场内爆衬层聚变推进探测器和普林斯顿反场构型直接聚变驱动探测器）的研究进展,从聚变堆设计原理、深空探测任务参数与实验进展等角度,对三种技术路线进行了分析和总结。     

超大功率电推进电源处理单元关键技术研究

针对深空探测等空间任务对超大功率(10kW~100kW范围)电推进系统的需求,通过对国内外超大功率电推进技术的调研,提出了一种50kW超大功率霍尔电推进系统电源处理单元（Power Processing Unit,PPU）设计方案,重点对核心的阳极电源关键技术进行研究,提出了四管Buck-Boost变换器和三相LLC谐振变换器级联的设计方案,为我国超大功率PPU的发展提供了技术参考。     

中国电推进技术发展及展望

为了促进国内电推进技术的发展,简要介绍了国际上主要电推力器的种类和特点,并结合国外电推进技术的研究及在轨应用情况,介绍了中国电推进技术发展过程和应用现状,总结了国内外电推进技术的发展趋势。在此基础上,根据国内深空探测、商业航天、重力场测量、引力波探测等空间任务对推进器的高比冲、长寿命、宽调节范围、低成本、高精度等需求,提出了国内电推进技术应该将小型离子推力器、大型霍尔推力器、脉冲等离子体推力器以及无拖曳控制推力器作为重点发展方向的建议。     

大功率等离子体电推进研究进展

大功率等离子体电推进具有推力大、比冲高、效率高、尺寸小等优势,是载人深空探测任务最具竞争力的推进技术之一。针对稳态等离子体推力器、阳极层推力器、磁等离子体动力推力器、可变比冲磁等离子体推力器和螺旋波推力器等,对等离子体电推进的国内外研究进展进行了论述。从大功率等离子体推力器、超大容量推进剂贮存与供应、大功率高电压电能变换与供应、大功率等离子体推力器试验验证等角度分析了大功率等离子体电推进的关键技术,对我国大功率磁等离子体电推进的发展提出了梳理需求、制定技术路线、提升成熟度和进行集成演示等建议。     

美国“深空网”简介

美国的深空网是一个很先进的测控网,为NASA局行星探测飞学器提供跟踪、数据获取和通信服务。深空探测任务的测控需求将该网的能力和性能推到这样一种水平,即必须不断使空间远程通信系统和技术处于领先的地位,新技术不断地在深空网中迅速投入应用,该网由加里福尼亚州喷气推进实验窒(JPL)代为NASA管理和操作。该实验窒也进行了一系列先进系统开发计划,使该网的能力成功地保持在最高水平上。     

MSL测控特点以及自主火星探测测控关键技术

火星科学实验室任务测控通信与导航技术代表了目前该领域的最新方向。在结合火星科学实验室任务特点并对其对测控通信系统设计性能、导航性能进行分析的基础上,以未来的自主火星探测以及火星采样返回任务为潜在工程应用目标,结合我国月球和深空探测测控系统的现状,梳理了我国未来自主火星探测中火星中继网络、火星探测器精密定轨,以及火星大气进入、下降和着陆过程中的信号检测与估计等关键技术。该研究对后续的自主火星探测测控通信系统的设计具有一定的参考价值,对推进我国深空探测测控系统的发展具有重要意义。     

深空探测器自主技术发展现状与趋势

深空探测器距离地球远、所处环境复杂、苛刻,利用地面测控站进行深空探测器的遥测和遥控已经很难满足探测器控制的实时性和安全性要求。深空探测器自主技术即通过在探测器上构建一个智能自主管理软件系统,自主地进行工程任务与科学任务的规划调度、命令执行、星上状态的监测与故障时的系统重构,完成无人参与情况下的探测器长时间自主安全运行,自主技术已经逐渐成为深空探测领域未来发展的一项关键技术。本文首先分析了传统测控模式对深空探测的约束,回顾了深空探测器自主技术发展的现状,分析了实现深空探测器自主运行的关键技术,包括在轨自主管理系统设计技术、自主任务规划技术、自主导航与控制技术、自主故障处理技术和自主科学任务操作技术。然后结合深空探测工程实施和技术发展需求,提出未来深空探测器自主技术发展的趋势和重点。     

深空探测器自主技术发展现状与趋势简

 深空探测器距离地球远、所处环境复杂、苛刻,利用地面测控站进行深空探测器的遥测和遥控已经很难满足探测器控制的实时性和安全性要求。深空探测器自主技术即通过在探测器上构建一个智能自主管理软件系统,自主地进行工程任务与科学任务的规划调度、命令执行、星上状态的监测与故障时的系统重构,完成无人参与情况下的探测器长时间自主安全运行,自主技术已经逐渐成为深空探测领域未来发展的一项关键技术。本文首先分析了传统测控模式对深空探测的约束,回顾了深空探测器自主技术发展的现状,分析了实现深空探测器自主运行的关键技术,包括在轨自主管理系统设计技术、自主任务规划技术、自主导航与控制技术、自主故障处理技术和自主科学任务操作技术。然后结合深空探测工程实施和技术发展需求,提出未来深空探测器自主技术发展的趋势和重点。     

基于任务需求和ESM分析的受控生态生保系统植物部件品种规划

针对任务周期长、距离远的长期载人深空探测,长期地外生存等任务要求建立受控生态生保系统,通过合适的植物部件利用当地资源进行空间作物生产。利用等效系统质量方法,比较了地球携带食物补给和受控生态生保系统植物部件就地生产两种补给模式的优劣。从受控生态生保系统角度讨论了主食、果蔬和蛋白质-脂肪等食物需求与植物部件设计的关系,对1~2年任务周期的深空探测飞行任务首先应配备小量蔬菜栽培装置。可以利用太阳光时,2年以上即可建立植物部件生产果蔬;15年以上方可生产粮食作物;而只能利用人工光源时,3.4年以上的深空探测任务才适合植物部件供应新鲜果蔬,而主食则需要76年以上。油料作物的空间生产在目前技术条件下不具备应用可行性。     

NASA选定三项航天技术飞行演示验证提案

为加速实现空间通信、深空导航和空间推进能力变革，NASA近期选择了三项技术领域提案作为飞行演示验证项目，投入资金约1．75亿美元。这三项技术领域提案包括：（1）激光通信中继演示验证。该任务将飞行验证一种可靠的、高性能、高效费比的光学通信技术，数据传输速率将是当前通信系统的100倍。（2）深空原子钟演示验证。     

Flexible piloted Mars missions using the TIHTUS engine

The present investigation points out the potential of continuously propelled spacecraft for piloted Mars missions and compares them to impulsive propulsion (chemical and nuclear thermal) and ballistic trajectories. Although the results are related to piloted Mars missions, the stated issues raised hold true for a broad range of space missions. It is demonstrated that the use of impulsive propulsion leads to inflexible missions and may result in long total mission durations. Meanwhile, the use of continuous electric propulsion not only guarantees short total mission durations of Mars missions with moderate masses but also results in highly flexible missions. These criteria can be met with a continuous electric propulsion system that provides a thrust level of 100 N and 3000 s of specific impulse. Great potential lies in electric hybrid thrusters. The high-power, two-stage hybrid plasma thruster TIHTUS is currently being developed at the Institute of Space Systems (IRS). Its technology including preliminary laboratory testing results are presented.     

离子推进器和流量控制单元

使用电动电源线确保使用电力,它等于几十千瓦。 建议它应该高达10000秒。 Keldysh研究中心（KeRC）正在开发推进系统。 35千瓦离子推进器和FCU-500流量控制单元。 IT-500和FCU-500的2000小时寿命测试是 离子推进器大部分运行2018小时,使用40千克氙气。 本文还介绍了磁场和离子光学的改进以及石墨网格的发展状况。     

大功率离子推力器和流动控制单元验证现状 及其2000小时寿命试验

为了发展基于电推进的大功率空间运输系统,需要开发和验证功率达数十千瓦的电推进系统,深空任务电推进系统优化的比冲要求高达10⁵s。凯尔迪什研究中心（KeRC）正在开发这样的电推进部件。本文概述了 35kW离子推力器 IT-500及其流动单元FCU-500的验证现状。作为其验证的一部分,完成了IT-500 和 FCU-500的2000h寿命试验。其中,离子推力器大部分验证条件是：输入功率17.8kW,使用了40kg氙,2018h寿命试验。本文介绍了磁场和离子光学以及石墨格栅开发现状。     

分布式电推进飞机电力系统研究综述

继飞机二次能源逐步统一为电能形成多电/全电飞机之后,电推进技术成为飞机动力系统电气化的重要发展方向,有望进一步提高飞机动力系统能量转换效率、降低燃油消耗和排放,代表了航空电气化的高级阶段。飞机电力系统及相关技术是支撑电推进技术发展的重要基础。系统总结了电推进飞机的类型与发展现状,论述了飞机混合动力系统及分布式电推进系统的基本概念、特点与意义。阐述了航空电推进系统的基本结构,比较了适用于分布式电推进系统的电力系统架构,系统分析了实现电推进技术所需的高效高功率密度电机、高效大容量功率变换器和综合热管理等关键技术。小型纯电动飞机正在逐步迈向实用化,而分布式混合电推进技术是中大型飞机电气化的重要方向,仍然需要航空机电和动力系统等交叉融合与创新发展。     

核聚变空间推进器的初步需求分析

参考一种简化的、解析近似的计算模型，以地球到火星的对接任务和往返任务为例，对核聚变等离子体推进器性能关键参数如推进系统质量、比冲、任务时间、有效载荷份额及比功率等进行分析，得出了任务时间和有效载荷质量份额与聚变堆芯输出功率、推进器结构质量和比冲的依赖关系。在此基础上，结合核聚变地面商业堆的相关进展，对现有的技术做合理适当外推，理论计算表明:飞行任务能够在1~2个月内达到目的星球同时可携带超过10%的有效载荷份额，并提出了未来核聚变空间推进器的初步参数方案和设计构想，总体上能够为未来核聚变空间推进技术的发展提供一定的参考。      

航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述

随着世界范围内碳减排需求的日益增长及长航时飞机的发展需要,高效率的燃料电池航空电推进系统逐渐受到重视,氢能航空的理念被人们所熟知。可使用碳氢燃料的高温燃料电池还可与燃气涡轮组成混合动力系统,发电效率进一步提高至70%。本文首先回顾了燃料电池及燃料电池涡轮混合系统在航空能源、动力系统方向应用概况;接着,概述了几种突破现有涡轮发动机技术瓶颈的新概念混合电推进系统,如发电与推进一体化燃料电池涡轮混合动力系统和无涡轮燃料电池混合推进系统;基于此,本文分析了限制燃料电池混合系统实际应用的关键技术难题,主要体现在混合动力系统功重比较低、大分子碳氢燃料重整技术未突破两方面。     

An atmosphere-breathing propulsion system using inductively coupled plasma source

CubeSats have attracted more research interest recently due to their lower cost and shorter production time. A promising technology for CubeSat application is atmosphere-breathing electric propulsion, which can capture the atmospheric particles as propulsion propellant to maintain long-term mission at very low Earth orbit. This paper designs an atmosphere-breathing electric propulsion system for a 3 U CubeSat, which consists of an intake device and an electric thruster based on the inductively coupled plasma. The capture performance of intake device is optimized considering both particles capture efficiency and compression ratio. The plasma source is also analyzed by experiment and simulation. Then, the thrust performance is also estimated when taking into account the intake performance. The results show that it is feasible to use atmosphere-breathing electric propulsion technology for CubeSats to compensate for aerodynamic drag at lower Earth orbit.     

激光微推进器用于微小卫星的姿轨控仿真

为研究激光微推进器用于微小卫星在轨空间飞行任务的可行性,利用已建立的激光推进微小卫星仿真平台,对微小卫星在轨姿态调整、轨道维持和轨道转移等飞行任务进行了仿真和分析。仿真结果表明,星载激光微推进器可满足在轨微小卫星的高控制精度姿态调整、近地观测轨道维持以及较长时间要求的轨道转移等空间任务对推进系统的要求。