微波电热推进系统应用研究

空间推进系统作为航天器的重要部分,其性能、质量、寿命和可靠性等参数直接影响着航天器的工作状况。本文首先介绍空间推进系统的种类及其特点,其次阐述了电推进系统的主要特点,最后重点描述了微波电热推进系统的特点、系统结构,并对微波推进系统用于航天器的轨道转移和位置保持进行了理论分析。分析结果表明,微波电热推进系统具有比冲适中、寿命长、推力范围宽、羽流污染小和系统兼容性好等优点。既可用于复合式推进系统,进行航天器的位置保持、姿态调整等,也可单独完成航天器的轨道转移、星际航行和位置保持等任务,具有广阔的应用前景。     

极地悬停航天器轨道动力学特性与轨道维持

针对高纬度地区地球同步轨道卫星存在覆盖盲区的问题,提出了一种长期悬停在极轴上空的极地悬停航天器轨道方案。基于日-地三体模型推导了连续推力控制下的极地悬停航天器轨道动力学模型,并针对悬停高度固定和自由两种模式分析了其推力需求特性和燃料消耗。结合工程实际,对采用电推进和太阳帆混合的极地悬停航天器进行了质量核算和寿命分析。结果表明:考虑电推进自身质量,自由悬停模式较固定悬停模式燃料消耗少,但有效载荷质量减小;太阳帆在当前的帆膜技术下不具有提高有效载荷质量的优势,但未来随着材料的发展太阳帆技术的优势会逐渐显现。文章提出的极地悬停航天器可实现对高纬度地区的连续和实时覆盖。     

基于磁场梯度张量的航天器内部多磁场源探测技术

基于磁场梯度张量的探测技术具有高分辨率、高精度等优点,是航天器多磁源分辨的有效方法。文章建立了航天器磁场源模型,提出了航天器多磁场源模型拟合方法,利用磁场梯度张量的主不变量的极值确定磁场源个数和水平位置,然后联合欧拉方程计算磁场源深度,完成航天器内部多磁场源仿真与计算,分辨率最高可达0.012 m,满足工程需求。该研究开辟了航天器内部多磁场源目标探测的新途径。     

基于太阳能热推进的应急飞行器系统优化设计

基于太阳能热推进的航天器推进系统具备高比冲、高效率等诸多性能优势。文章基于太阳能热推进原理实现应急轨道航天器的轨道补偿控制,并对系统关键参数进行了优化设计。首先建立轨道控制系统的数学模型,然后根据太阳能热推进原理与轨道特性实现吸热剂质量与聚光器吸热面积的优化计算,最后仿真验证该方案的可行性。仿真结果表明:该方案适用于210～300 km高度的应急轨道,且吸热剂质量与聚光器面积需求均在合理范围内。     

一种航天器磁特征全息成像方法

为准确描述和评估航天器的磁特性,建立航天器网格化磁模型,提出航天器磁场信息成像方法。利用立体阵列扫描系统,对航天器测量面的磁场信息进行采集和计算,联合磁梯度张量的模量极值和欧拉反演法确定其内部磁源的水平位置和深度,实现航天器内部、探测面和空间磁信息的可视化分析和展示。航天器模型（格距10 cm）三点磁源试验和计算结果显示,该方法对内部磁源单方向定位偏差小于0.05 m,单方向磁矩偏差小于0.02 A?m2;空间磁场强度和磁矩误差均小于5%。该方法为快速获取类长方体形航天器的磁信息提供了一种新的工程实践手段。     

基于环境工质的超低轨吸气式螺旋波电推进器仿真分析

为考察超低轨道高度环境下吸气式螺旋波电推进的可行性,基于180 km超低轨道高度环境工质,开展吸气式螺旋波电推进器的仿真模拟。进行以原子氧为工质,综合考虑碰撞、激发、电离等过程,通过13.56 MHz射频加热,由磁喷口完成推力输出全流程的仿真模拟。建立特定形态吸气式螺旋波电推进结构模型,结合不同功率的输入,分析功率沉积、等离子体参数分布和推力输出。结果表明,输入功率从200 W增加至2000 W的过程中,推力从6.00 mN增加至13.23 mN,能够满足0.226 mN的阻力补偿要求,可为超低轨吸气式电推进航天器设计提供参考。     

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。     

卫星磁力矩器磁场效应仿真分析

磁力矩器是卫星上磁性较大的部件之一,局部的强磁场是影响卫星周围带电粒子分布的主要原因。为了定量分析磁力矩器与等离子体相互作用,文章基于磁场与运动粒子的耦合模型,利用有限元数值分析软件仿真了典型轨道航天器上磁力矩器工作时周围带电粒子入射轨迹变化及电荷(粒子数)分布。结果表明,受磁场作用,带电粒子在接近磁力矩器本体时会发生偏转,且偏转幅度随电子能量降低而增大;由磁场引起的这种偏转效应导致带电粒子不均匀入射到卫星内。     

电推进羽流与航天器相互作用的研究现状与建议

电推进与传统的化学推进相比可以节约大量推进剂质量,被广泛用作地球同步轨道卫星南北位置保持和深空探测等任务的主推进系统。电推进器工作时产生的羽流与传统的化学推进器羽流有显著区别,电推进羽流对航天器的影响是进行卫星电推进器系统设计时需要重点关注的问题。文章讨论了电推进羽流对航天器的主要影响,介绍了国外在地面模拟试验、空间飞行验证和软件仿真技术等方面的研究现状,同时对国内开展羽流与航天器相互作用研究提出了建议。     

GEO卫星电推进与化学推进组合变轨方案研究

针对GEO卫星采用电推进和化学推进系统进行变轨的问题,在给定轨道控制模型的基础上,给出实现轨道半长轴、偏心率和倾角3个参数单独调整和联合控制的控制律。结合假设的运载火箭发射能力约束,给出航天器不同入轨高度对应的初始质量。以此为约束,给出化学推进和电推进不同组合的6种GTO向GEO转移方案,并对比分析各方案完成变轨所需的时间、推进剂、速度增量以及完成变轨后的质量剩余情况,研究方法可为电推进系统在航天领域的应用提供参考。     

基于电火箭推进的地-月轨道转移自主导航研究

以电推进力作为奔月航天器在进入月球影响球之后的螺旋式减速转移过程的主推进力和姿态控制力,建立限制性三体力学模型.采用星光导航方式,结合UKF非线性滤波方法进行自主导航研究.推力的引入方式能有效抑制由于航天器姿态与导航误差耦合而导致的推力矢量方向误差.通过大量的计算机仿真,详细研究和分析了电推进条件下自主导航的发散问题,有针对性地给出了抑止发散的方法,为工程实现提供了有利的参考依据.     

电动绳系在低极轨卫星中的应用研究

低极轨卫星具有轨道周期短、对地观测分辨率高等优点,但由于所在轨道大气阻力大,其使用寿命受到较大限制。文章提出采用水平结构电动绳系抵消低极轨卫星大气阻力的方法,通过系绳电流与地球磁场相互作用产生洛仑兹力进行推进,进而在无燃料消耗的情况下实现对低极轨卫星轨道高度的维持。初步分析了该方法在低极轨不同尺寸卫星中的应用潜力,计算了160 、400 和800 km 典型高度低极轨卫星所经历的地球磁场、电离层和高层大气环境相关参数变化,比较了不同条件下电动绳系推力与大气阻力大小随轨道位置的变化。分析结果表明,该方法适用于400 km 轨道高度以上大卫星;在满足一定系绳长度和轨道高度的条件下,电动绳系可以有效延长低极轨卫星的轨道寿命。     

Investigation Into Cost-Effective Propulsion System Options for Small Satellites

The paper summarizes research into cost-effective propulsion system options for small satellites. Research into the primary cost drivers for propulsion systems is discussed and a process for resolving them is advanced. From this analysis, a new paradigm for understanding the total cost of propulsion systems is defined that encompasses nine dimensions – mass, volume, time, power, system price, integration, logistics, safety and technical risk. This paradigm is used to characterize all near-term propulsion technology options. From this effort, hybrid rockets emerges as a promising but underdeveloped technology with great potential for cost-effective application. A dedicated research program was completed to characterize this potential. This research demonstrated that hybrid rockets offer a safe, reliable upper stage option that is a versatile, cost-effective alternative to solid rocket motors. Finally, an innovative technique was derived to parametrically combine the diverse cost dimensions into a useful, quantifiable figure of merit for mission and research planning. Overall, it is shown that the most cost-effective solution is found by weighing all options along the nine dimensions of the cost paradigm within the context of a specific mission.     

基于氢化镁的核电/核热双模共质空间核动力技术

针对未来空间任务对能源和动力日益提高的需求,提出了基于氢化镁的核电核热双模共质空间核动力技术。该技术以一种储氢密度高、热稳定性较好,能够以常温常压储存的氢化镁作为工质,通过核能加热后氢化镁分解成为核热推进可用的高压氢气和电推进可用的单质镁,并结合高效动态热电转换系统,形成大功率核电源、大功率超高比冲核电推进、高比冲氢气核热推进以及大推力镁核热推进多种工作模式。基于氢化镁的多模共质空间核动力技术解决了低温推进剂、气态工质在空间应用时的存储安全性和存储密度低的问题,其具备的多种工作模式能够针对不同任务需求提供相应的能源或者动力输出,提高核动力飞行器任务能力。     

核热推进载人火星探测方案设计

针对载人火星探测任务，结合我国现有技术基础，提出我国载人火星探测方案，重点研究载人火星探测任务推进系统的设计。首先，综合考虑载人深空探测任务的约束，采用Pork-Chop图设计了适用于不同任务场景的转移轨迹；然后，参考我国空间站技术，基于核热推进系统设计了我国载人火星探测任务的飞船；最后，对核热推进系统的发动机台数和推力进行了优化，得到了适用于不同任务场景的最优推进系统组合方案。本文所研究内容为我国未来载人火星探测任务提供了有益参考。     

微纳卫星新型动力系统研究进展

微纳卫星指采用现代技术、微电子技术、机械技术等设计制造的具有高性价比的现代微小卫星。因其具有发射成本低廉、应用灵活等特点,微纳卫星受到各国的广泛关注。微纳卫星动力系统具有良好的发展前景。本文综述了微纳卫星动力系统的发展现状,针对自中和射频离子推力器、离子液体推力器、碳纳米管阵列推力器、石墨烯材料光驱动等几种新型且有望用于微纳卫星推进的方案,简要说明其工作原理,并分析其核心技术以及性能优势。给出了发展建议:提升总冲、功耗、调节精度等参数是微纳卫星动力系统未来主要的发展方向;研发工作中需要重点关注结构工艺、离子束流中和等关键技术。     

电推进系统空间试验技术研究

电推进系统的相容性、空间推力/比冲等是空间应用关注的重要性能指标。根据电推进系统未来空间试验技术发展趋势,调研了国内外离子、霍尔电推进系统的推力、电磁兼容性、对卫星的污染等空间试验情况,结合我国电推进系统首次开展空间试验现状、电推进系统的布局,以及星上配备的卫星污染与电位监测器,对空间环境条件下卫星的污染、电推进自身及卫星设备的电磁兼容性、空间推力标定方法、推进剂剩余量分析方法等进行了研究。通过电推进系统在轨连续试验、电推进羽流影响等分析,得到电推进对卫星周围污染情况、电推进与卫星平台的电磁兼容性等在轨性能参数,可为全面评价电推进系统技术、科学制定电推进空间试验计划及电推进空间应用提供依据。     

国内外先进推进技术发展综述

航天运输领域发展的核心目标包括提高运载能力、降低发射成本及减少发射准备时间等。相对于传统的化学推进技术,先进推进技术采用新能源或新机理,旨在从根本上满足未来对有效载荷、发射成本和发射周期的要求。对国内外组合动力装置、核聚变动力推进、离子推进、激光推进、核子脉冲推进、太阳帆推进、磁场帆推进、布萨德喷气推进、反物质推进等先进推进技术的研究进展进行综述和可行性分析,并给出了发展启示。     

航天动力系统未来需求方向及发展建议的思考

随着航天运输领域的发展对航天动力系统的需求不断提升,总结国外航天动力系统的发展趋势,分析内在启示;根据我国航天运输系统未来发展,提出我国航天动力系统的发展需求,并进一步结合多方约束阐述对解决方案的思考。     

烃类推进剂航天动力技术进展与展望未来

为研究烃类推进剂航天动力技术在中国的后续发展和未来应用方向,对比分析煤油、甲烷和丙烷等典型烃类推进剂的物理化学性质和应用特性,简要介绍烃类推进剂航天动力在一次性运载火箭、可重复使用运载器、高性能上面级推进、无毒空间推进和吸气式推进领域的发展动态及应用状况。当前国内外航天动力系统的发展和应用情况表明,以液氧煤油发动机和液氧甲烷发动机为代表的烃类推进剂航天动力将引领未来高性能低成本航天推进系统的发展趋势,依照中国液氧/烃火箭发动机的研制进展和技术水平,以其为核心的新型动力体系在中国未来的天地往返、载人登月和深空探测等多任务适应性方面具有良好应用前景。