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（英文）

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。     

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。     

离子推力器极少数据可靠性评估方法

针对只有两台离子推力器进行寿命试验,试验结果为极少失效数据的情况,建立了一种离子推力器整机可靠性评估方法.通过引入区间统计量的概念,充分开发从最后一个失效数据继续试验到没有发生产品失效这一重要试验信息,由高斯-马尔科夫定理计算出寿命分布参数的最佳线性无偏估计,并给出离子推力器可靠度和寿命的单侧置信下限.最后,对美国NASA研制的型号为XIPS-13的离子推力器进行可靠性评估,得出了其寿命需求10000h的可靠度单侧置信下限为0.87及给定可靠度为0.9时的寿命单侧置信下限为9024.6h,该方法精度较高,便于工程应用.      

30cm离子推力器三栅极组件设计参数对寿命的影响研究

为了研究30cm离子推力器三栅极组件设计参数对预估寿命的影响,在完成失效模式分析的基础上,通过PIC-MCC方法对离子推力器三栅极组件的离子溅射速率进行了计算,建立起栅孔二维寿命预估模型,并针对栅极设计参数对预估寿命的影响进行研究。结果显示:导致三栅极组件的主要失效模式为5kW高功率模式下的离子直接轰击所造成的栅极早期结构失效,且减速栅的过快离子溅射腐蚀成为影响三栅极组件寿命的关键,而不同工作模式不会产生新的失效方式,仅影响栅极的离子溅射速率以及寿命;在现有三栅极设计参数条件下,当推力器工作时,栅极引出的离子束流处于明显欠聚焦状态,且加速栅寿命预估值约为9062h,而减速栅约为2642h;通过PIC-MCC方法得到的栅极三个关键设计参数对寿命的影响模拟结果显示,降低加速栅电压对提升减速栅寿命的作用较小;缩小加速栅与减速栅冷态间距后,离子溅射速率会随着冷态间距的缩小逐渐降低,冷态间距由1mm缩小至0.6mm后,减速栅在5kW工况下的工作寿命可提升至10726h,且经试验验证该间距可满足推力器力学环境试验要求;缩小屏栅孔径对改变离子束流引出形状具有显著作用,单孔束流发散角度随着屏栅孔径的缩小出现了明显降低,且束流离子几乎不会再直接轰击至减速栅上游区域,当屏栅孔径由1.9mm缩小至1.6mm后,减速栅工作寿命可提升至9259h;分析结果对后续开展栅极组件的寿命优化设计提供了参考。     

离子推力器栅极极限寿命优化

离子推力器的极限寿命最终取决于栅极的极限寿命。针对LIPS-200离子推力器延长寿命到20000h以上的工程应用需求,在分析离子推力器极限寿命所对应关键失效模式及磨损机理的基础上,基于加速电压能够有效调节关键失效模式发展进程的工作机制,提出了具有普适性的离子推力器栅极极限寿命优化的恒定加速电压方法和步进调节加速电压方法。结合LIPS-200离子推力器寿命试验的过程及最终结果数据,在完全继承推力器现有技术状态和成熟度的前提下,采用恒定加速电压方法可以将推力器的极限寿命从现有的14649h提高到17300h,采用步进调节加速电压方法可以将推力器极限寿命提高到20400h,从而实现LIPS-200延长寿命目标。     

霍尔电推进离子能量后加载设计及工作特性

典型的全电推进通信卫星通常设计使用寿命约为15年,对霍尔电推力器的使用寿命要求达到了104h量级,因此,长寿命设计技术是影响其能否工程应用的关键技术.简要调研了国内外霍尔推力器延寿技术的发展,分析得到壁面及磁极腐蚀程度是影响推力器寿命的核心物理过程.通过分析推力器放电过程离子加速场的建立过程,提出一种具有离子能量后加载...     

基于Matlab/Simulink的离子推力器输入参数设计模型研究

离子推力器的输入参数设计直接决定其工作性能以及寿命,为了有效降低在前期设计阶段,由于输入参数设计缺陷导致的输出性能和预估寿命不一致性,以及后期优化改进所带来的风险及高昂成本,根据离子推力器工作过程的宏观描述以及寿命理论预估方法,基于Matlab/Simulink建立起离子推力器输入参数设计模型,实现了根据推力、比冲、效率等设计指标完成输入参数计算以及寿命预估的目的。结果显示:以30cm离子推力器为例,根据参数设计模型得到5kW额定工况下的关键输入参数与目前实际输入参数的比对误差均在5%以内,而模型得到的关键指标参数与冷启动试验测试值的比对误差同样在5%以内,3600h后的加速栅孔径刻蚀计算结果与试验结果比对误差在10%以内,证明了离子推力器输入参数设计模型的合理性,输入参数设计模型可用于后续同类型离子推力器的早期输入参数确定以及设计指标匹配性评价。     

基于加速栅溅射腐蚀失效的离子推力器寿命预测

离子推力器加速栅溅射腐蚀失效是制约离子推力器寿命的关键失效模式之一.针对离子推力器长寿命、多功率条件下运行的特点,基于坑和凹槽的溅射腐蚀数据,建立模型对其进行寿命预测.通过研究离子推力器加速栅中心凹槽腐蚀深度在不同功率段下随工作时间的变化规律发现:运行功率顺序对加速栅凹槽腐蚀率影响较小,进而采用累积损伤理论建立离子推力器多功率段下运行的寿命预测模型.最后, 对美国的NASA's Evolutionary Xenon Thruster(NEXT)进行了寿命预测,预测结果寿命为46041h,与试验结果符合较好.      

两种会切场离子推力器对比研究

环型会切场离子推力器和柱型会切场离子推力器是当前广泛应用和研究的两种会切场离子推力器。基于30cm环型会切场离子推力器LIPS-300H和30cm柱型会切场离子推力器LIPS-300Z,对比研究了两类会切场离子推力器各自优劣及其机理。首先分析了两种会切场原理,总结给出了两种会切场差异,然后实验对比研究了两种会切场离子推力器束流均匀性、放电效率和寿命。实验结果显示：LIPS-300H相比LIPS-300Z在3kW和5kW工况下束流密度峰值分别降低25%和19%,放电电压分别降低7.8V和6.2V,放电损耗分别增加20W/A和32W/A,屏栅预测寿命分别增加6.7倍和3.2倍。试验结果表明：虽然LIPS-300Z比LIPS-300H具有放电损耗低的优点,但其较差的束流均匀性,较高的阳极电压和双荷离子比,使其在寿命和可靠性方面劣于LIPS-300H。     

静态等离子推力器研制近况

据报道，2000年静态等离子(霍尔)推力器的研制继续取得进展。美国空间系统／罗拉尔公司(SS／L)正在整机集成经过鉴定的SPT-100系统，以用于电信卫星8号和IPSTAR的位置保持，准备在2002年～2003年发射。相应的子系统包括4台俄罗斯法拉尔联合体的推力器和两台SS／L电源处理单元。大西洋研究公司作为主承包商的4.5 kW级SPT-140，由法克尔研制推力器，SS／L负责设计与制造电源处理单元。在2000年中，已完成电源处理单元样机与推力器的整机集成试验，2001年春开始7 200 h的寿命试验。由NASA-Glenn、特雷伍德系统公司和美国空间电源公司研制的10 kW级T-220霍尔推尔器，2000年内完成了1 000 h的寿命试验，实现了高功率霍尔推力器迄今最长时间的运行。NASA的双模态工作D-80霍尔推力器，已实现比冲为1 500 daN*s/kg～3 300 daN*s/kg、功率在1 kW～8 kW范围的运行。Busek公司正在研制一台比冲在1 200 daN*s/kg～2 400 daN*s/kg、额定功率为8 kW的推力器；Prime宇航公司研制的双模态霍尔推力器也已实现了2.0 kW～4.5 kW范围内的工作。在低功率级霍尔推力器方面，Busek已研制了一台200 W级的推力器系统；BHT-200的延寿试验证明，达到了1 500 h～2 000 h。 在欧洲，用于法国技术试验卫星的PPS-1350推力器已完成寿命试验，将在2001年上半年进行飞行。在SMART-1技术论证任务中，PPS-1350将用作轨道空间主推进系统。 (本刊通讯员)     

Direct drive options for electric propulsion systems

Power processing units (PPUs) in an electric propulsion system provide many challenging integration issues. The PPU must provide power to the electric thruster while maintaining compatibility with all of the spacecraft power and data systems. Inefficiencies in the power processor produce heat, which must be radiated to the environment in order to ensure reliable operation. Although PPU efficiencies are generally greater than 0.9, heat loads are often substantial. This heat must be rejected by thermal control systems which generally have specific masses of 15-30 kg/kW. PPUs also represent a large fraction of the electric propulsion system dry mass. Simplification or elimination of power processing in a propulsion system would reduce the electric propulsion system specific mass and improve the overall reliability and performance. A direct drive system would eliminate all or some of the power supplies required to operate a thruster by directly connecting the various thruster loads to the solar array. The development of concentrator solar arrays has enabled power bus voltages in excess of 300 V which is high enough for direct drive applications for Hall thrusters such as the Stationary Plasma Thruster (SPT). The option of solar array direct drive for SPTs is explored to provide a comparison between conventional and direct drive system mass     

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。     

基于离子电推进系统的航天器有效载荷能力分析

为预估与提高航天器有效载荷能力,结合航天运输系统理论与离子推力器放电模型,对深空探测任务中以离子电推进系统为主要动力来源的航天器有效载荷能力进行了分析。通过理论推导,构建并揭示了有效载荷分数与深空探测任务参数和电推进系统性能参数的函数关系与潜在联系。结果表明:动力装置单位质量越小,航天器所能达到的最佳有效载荷分数越大;有效载荷分数的高低与离子引出份额、原初电子利用率参数的大小以及任务时间的长短呈正相关;当离子电推进系统可以达到更高的载荷比时,则需要更高的工质利用率作为支持。     

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。     

离子推力器多模式化研究

为了实现离子推力器多模式化,分析了离子推力器功率宽范围调节限制因素,提出了两种宽范围调节策略;针对我国小行星探测任务,完成了30cm多模式离子推力器研制、功率宽范围调节限制条件确定、以及两种调节策略下多模式工作点设计及对比研究。结果显示,通过降低放电室磁场强度可延伸离子推力器最小稳定工作功率,提高束流均匀性,实现离子推力器更宽功率范围多工作点设计;功率宽范围调节主要是屏栅电压和束电流的宽范围调节,二者通过栅极导流系数限制和交叉限制而约束;推力随功率增加呈线性增加关系,比冲随功率的增加总体上呈先快速增加后趋于稳定的趋势;30cm多模式离子推力器在0.25kW～5kW内稳定工作,推力10mN～186mN,比冲1522s～3586s。     

多级会切磁场等离子体推力器研究进展

多级会切磁场等离子体推力器是一种电推进装置。在对此类推力器的基本概念、性能优势进行总结的基础上,系统性地回顾了国内外各研究机构不同功率级推力器的发展历程,并介绍了推力器离子加速及电子传导相关物理机制的研究过程。历经21年的发展,多级会切磁场等离子体推力器表现出显著的性能优势,在未来航天推进领域表现出了巨大的发展潜力。德国泰雷兹形成了以HEMP3050推力器为代表的工程化应用产品。我国微观物理机制的研究提升了推力器的认知水平,不同功率级推力器的研究均取得突破性进展,为推力器未来的快速发展奠定了基础。     

电推进技术的应用与发展趋势

扼要介绍了电推进技术的发展历史，概述了不同形式(电热、电磁和静电三大类)电推力器的特点及应用情况．指出了为满足不同空间任务电推进的发展趋势；并根据我国的研究状况、存在的问题和差距，提出了加快发展我国电推进技术的意见。     

配电方式对Kaufman离子推力器性能的影响研究

目前Kaufman离子推力器主要有两种最具代表性的配电方式:屏栅极电源正端分别连接阳极电源正、负端的配电方式。为了研究配电方式对Kaufman离子推力器工作性能的影响,基于等离子体理论和推力器工作原理,分析两种主要配电方式下放电室电极电势及电流平衡关系,推导了放电室等离子体特性表达式,理论分析了配电方式对离子推力器多种性能参数的影响。结合兰州空间技术物理研究所自研的LIPS300离子推力器在两种配电方式下工作在3kW和5kW的性能试验,通过解析方法对离子推力器多种工作参数和性能参数进行分析,试验结果与理论分析结果具有良好的一致性。研究表明:采用屏栅极电源正端连接阳极电源负端的配电方式能够获得更大的推力和比冲,并能提高离子对栅极透明度,减少离子对屏栅极的溅射,从而提高栅极寿命,但束离子产生成本稍高。研究结果可为离子推力器配电方式的设计与优化提供依据。     

离子推力器羽流场模拟以及Mo+CEX沉积分析

离子推力器工作产生的羽流会对航天器产生影响,严重时甚至会造成航天器无法正常工作,为了精确评估离子推力器羽流特性及其对航天器的作用,采用基于粒子轨道理论(PIC,Particle-In-Cell)的模型对复杂的航天器的离子推力器羽流进行了数值模拟,并结合最近几年发展起来的浸入式有限元(IFE,Immersed Finite Ele-ment),采用结构网格准确计算复杂边界电场。通过模拟,获得了Mo+CEX离子在卫星表面的最大可能沉积分布,定量分析了卫星表面Mo+CEX离子的最大可能沉积率,表明在垂直于推力器主束流方向的卫星组件的表面上容易产生较大的Mo+CEX离子污染沉积率,而平行于推力器主束流方向上Mo+CEX离子污染沉积率相对较小。