LIPS-200离子推力器寿命地面试验方案研究

在系统调研和分析国外用于地球静止轨道（GEO）卫星南北位置保持的离子推力器寿命试验方法和技术的基础上,结合我国通信卫星工作寿命需求和LIPS-200离子推力器产品研制现状,提出和论证了LIPS-200离子推力器地面寿命试验验证的目的和技术方案,讨论和分析了与寿命试验方案密切相关的内容。     

单模式LIPS-200离子推力器的寿命及可靠性定量评估

针对离子推力器产品工作寿命及可靠性定量评估的难题,结合单工作模式LIPS-200离子推力器产品成熟度提升需求,通过寿命主要影响因素耦合分析,应用试验数据、数值模型和数理统计方法,提出了单工作模式离子推力器寿命及可靠性定量评估的可行技术途径:通过分析模型、验证试验和数值模型之间的不断迭代实现各失效模式对应磨损模型的精细化...     

兰州空间技术物理研究所电推进新进展

兰州空间技术物理研究所是我国电推进技术研究和产品研制的主要单位。2014年兰州空间技术物理研究所在电推进发展中取得了多方面的重要进展,分别从空间飞行试验、型号产品研制、新产品开发、专业技术基础研究等方面进行了总结性的系统介绍。空间飞行试验包括了SJ-9A卫星离子电推进系统和XY-2卫星霍尔电推进系统,型号产品研制包括了DFH-3B平台首发卫星LIPS-200离子电推进系统、DFH-5卫星平台和全电推进卫星平台的LIPS-300离子电推进系统及LEO大型航天器主动电位控制系统,正在研发的新产品包括LIPS-200+,LIPS-100和LIPS-400等离子推力器及LHT-140霍尔推力器,电推进专业技术基础研究工作主要包括栅极组件工作寿命分析及概率性评估、放电室性能分析及优化以及基于等离子体能量沉积的推力器热分析等。     

20cm离子推力器束流平直度的改进方案

针对20 cm离子推力器(LIPS-200)存在束流平直度较差等问题,分析了提高LIPS-200束流平直度的几种方法,主要包括采用4极磁场、阴极前端增加挡板、改变供气方式和栅极孔径补偿设计等。利用数值方法详细研究了磁场对推力器束流平直度的影响。PIC-MCC方法用于模拟放电室内的等离子体放电过程,粒子模拟的磁场输入利用有限元软件MAXWELL计算得到。计算表明,优化磁路结构后的推力器比基线推力器束流平直度提高了29%,同时放电损耗下降了3%。通过分析可看到,单独优化磁路结构或者将优化磁路结构与其他方法相结合能有效提高LIPS-200的束流平直度。     

离子推力器羽流沉积对卫星热控影响研究

离子推力器的羽流是等离子体,等离子体的组成是带电粒子,这与传统的化学推进系统的羽流成分有很大不同,带电粒子有在卫星表面吸附的倾向,会形成羽流沉积污染。这种羽流沉积会改变卫星表面的吸收率和发射率,从而影响卫星的热控性能。为了预测离子推力器的羽流对卫星的热控性能的影响,建立了离子推力器羽流模型。所建模型采用了工程化离子推力器的在卫星上的布局位置和离子推力器的工作参数,模拟了离子推力器的正离子与中和电子束在工程化中分置的实际情况,使模型更为符合实际。通过数值模拟得到了离子、电子、中性粒子的空间分布,电场分布,得到了钼粒子在卫星表面的分布及沉积厚度,比较了模型计算的离子分布与实验获得的离子分布情况,说明了模型分析的正确性,给出了卫星表面热性能的变化及局部区域温升的最大包络可达二十多度的结果。     

离子推力器非预期电击穿特性及其主要影响因素对比研究

采用对比分析方法研究空间与地面、不同工况、不同累计工作时间段的离子推力器非预期电击穿特性变化,获得了离子推力器击穿频次与其主要影响因素之间的关联性。研究结果表明:在地面试验和空间飞行的全任务周期中,推力器击穿频次都呈现出早期较高、然后快速降低并保持长期稳定的基本特点;空间飞行应用中的平均击穿频次普遍比地面试验中的低1～2个数量级,其根本原因在于地面试验中不可避免地存在推力器暴露于大气、试验舱背溅射污染等诱发因素;栅极材料、电场强度、束流密度、溅射沉积物是决定推力器非预期电击穿本质特性的主要因素;击穿引发的阴极或放电室熄弧现象值得特别关注并应避免其发生。     

离子电推进非预期电击穿的工程防护技术研究

离子电推进的非预期电击穿现象具有普遍性和复杂性,结合实例对非预期电击穿的现象和分类、击穿事件的一般处理方法、工程隐患等基本问题以及实践二十卫星上LIPS-300离子电推进在轨工作初期的击穿情况进行了简要介绍,对基于推力器及其工作环境、电推进系统及其航天工程的非预期电击穿控制与防护技术进行了全面系统的讨论,通过对推力器栅极材料、电场强度、束流密度和推力器环境中低气压、等离子体、多余物、溅射沉积物等因素的控制,以及在电推进电源处理单元健壮性、系统监测与响应、沉积能量控制等方面的改进,再加上合理的在轨处理程序,包括入轨预处理、连续击穿循环控制程序和栅间短路清除技术等措施,可有效降低击穿频次及其对电推进系统造成的影响。     

离子推力器热真空试验研究

为了验证离子推力器的空间环境适应性,对离子推力器进行了热真空试验研究,确定了热真空试验的温度。试验结果表明:离子推力器在热真空环境中,启动和工作正常,性能稳定,满足空间环境要求。     

霍尔推力器等离子体羽流粒子模拟

建立了霍尔推力器羽流仿真模型,用单元粒子-直接模拟蒙特卡罗（PIC-DSMC）混合方法对SPT-7推力器的流场进行数值模拟,分析背压、扩张角和电子温度对流场的影响。结果表明：背压粒子增加了回流区内离子和高速粒子,加重羽流污染。SPT-70推力器羽流出口处扩张角约为30°。实验数据验证了仿真模型的正确和方法的可行,对电推力器及其羽流污染等的研究有一定的参考价值。     

氙离子推力器束流分布特性研究

建立了离子推力器束流分布的高斯模型,以200mm氙离子推力器为例,在不同工作环境下对推力器束流分布进行了数值模拟,并通过试验测量了推力器引出切面不同位置(轴向z=50mm,z=100mm)下的径向束电流密度和束离子密度分布。通过对数值模拟结果与试验测量结果的比较,误差为17%,认为数值模拟结果与试验测量结果吻合较好。表明离子推力器引出束流呈轴对称分布,在推力器出口附近,束离子密度很大,越往下游,密度越小且束流出现发散。     

20 cm氙离子推力器3 000 h寿命实验

为了验证20 cm氙离子推力器的寿命,进行了约3 000 h的寿命考核实验。在实验过程中,测试推力器性能参数、离子光学系统性能以及放电阴极和中和器阴极的能耗变化。通过对测试数据的分析来判断推力器的寿命终止时间。实验表明20 cm氙离子推力器连续累计工作3 000 h后,性能指标满足设计要求,其寿命已超过3 000 h。     

20cm口径离子推力器性能建模与仿真

为了分析国内首台通过在轨飞行测试的20cm离子推力器栅极系统束流离子运行特性和推力器性能,针对该推力器栅极系统建立了束流引出二维数值仿真计算模型,利用PIC/MCC数值仿真计算方法,模拟束流引出过程中带电粒子在电场作用下的加速、聚焦与引出、带电粒子与中性原子之间的相互作用、电场和等离子体流场之间的相互耦合等过程。数值计算结果显示,屏栅截获的离子电流约为1.71×10 -4 A,加速栅截获的电流和CEX离子电流分别为0 A和9.11×10 -7 A,因此,加速栅电流的主要来源是冲击到其表面的CEX离子,证明了加速栅电流的主要来源是冲击到其表面的CEX离子,计算的加速栅截获电流与束流电流之比约为0.114%。试验测得推力器运行4000h期间,电子反流极限电压始终为75~90〖KG*9〗V,其变化幅度很小,这意味着中和器发射的电子在栅极系统中的反流不会导致其发生失效。理论计算结果与试验测试值相比,误差约为1.08%。〖JP〗     

基于数字孪生的航天电推进器优化设计方法

针对以引力波探测为代表的空间科学任务和以“国网星座计划”为代表的商用卫星网络任务对推进器的特殊需求，本文提出了一种基于数字孪生的推进器优化设计方法。该方法首先建立由机理模型模块和测试数据集模块组成的数字孪生体。机理模型模块依据推进器的物理过程建立模型，对难以测量的数据进行仿真模拟；测试数据集模块通过实验对推进器进行测试，依靠测试数据建立可测参数的数学模型。将数字孪生体与实验进行对比，通过对比结果反馈调节机理模块从而不断提高孪生体的准确性，最终为优化设计提供依据。结果表明：(1)该方法能够构建微波离子推进器的数字孪生体；(2)该数字孪生体的预测结果存在一定差异，通过分析发现该差异与机理模型的精细度以及测试数据集的数据量有关。     

20 cm离子推力器羽流对微波通信影响的试验研究

离子推力器工作时产生的等离子体羽流会对穿过其间的电磁波产生影响。为了解通信微波在羽流中的传输特性,在带有透波真空舱的专用设备上进行了羽流对微波通信影响的试验。采用的方法是将一对发射和接收双脊喇叭天线口紧贴透波舱两侧并正对放置来测试穿过羽流的通信微波的变化情况。试验结果表明:在1～5 GHz微波通信频段范围内,离子推力器所产生的羽流对电磁波的波幅和相位影响较小,幅度衰减不超过4 dB,相位偏差不超过80°。     

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.     

离子推力器栅极非预期电击穿评述

离子推力器栅极组件易发生非预期电击穿，不但影响离子推力器的工作稳定性与可靠性，还会对推力器栅极组件和电源造成严重危害，甚至导致其失效。文章从离子推力器地面试验现象出发，归纳评估非预期电击穿的击穿特性及机理，并在此基础上归纳评估不同电击穿类型及其危害性，最后给出离子电推进电击穿的后续研究建议。