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.     

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。     

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。     

影响环形微阴极电弧推力器寿命的因素研究

为了研究影响环形微阴极电弧推力器寿命的因素，首先分析了可能的因素，接着通过试验研究了电流参数对阴阳极间电阻的影响，不同功率下的推力器热性能以及功率大小对绝缘体腐蚀的影响。试验结果表明，为了延长推力器的寿命，需要控制推力器较大的放电电流，使得阴阳极间电阻动态平衡，维持在0.5~10 kΩ；需要选择合适的放电功率，功率阈值应考虑各部件材料的高温承受能力；另外，绝缘体的腐蚀是制约推力器寿命的主要因素，降低放电功率有助于减缓该腐蚀。     

钡钨空心阴极放电等离子体特性实验研究

空心阴极作为电推力器的核心部件之一,其放电等离子体特性对空心阴极的性能和可靠性具有决定性的作用。采用实验的方法,使用朗谬尔静电探针置于钡钨空心阴极放电出口处,诊断和分析了钡钨空心阴极出口处的放电等离子体特性随阴极推进剂流量和放电电流的变化规律,结果表明:阴极推进剂流量和放电电流对空心阴极放电等离子体特性具有比较明显的影响,各等离子体参量随阴极推进剂流量和放电电流均有明显的变化,其中,电子数密度随阴极推进剂流量和放电电流的增大而上升,等离子体电势随阴极推进剂流量和放电电流的增大而下降,电子温度随阴极推进剂流量的增加而下降,随放电电流的增大有略微升高,而且,放电电流对放电等离子体特性具有更显著的影响。     

一种无加热器的电推进用空心阴极

电推力器在国际上已得到广泛应用.目前应用的电推力器,启动时间较长,无法用于需要快速响应的场合.空心阴极是造成电推力器启动时间较长的根本原因.无加热器阴极是一种新型空心阴极,可使得电推力器的启动时间缩短至1 s之内,大大提升电推进系统的响应特性,而且还可以提高电推进系统的稳态工作性能和可靠性.本文介绍无加热器阴极的基本工作原理和应用优势,详细论述无加热器阴极的研究进展,提出突破无加热器阴极技术需要攻克的关键技术.     

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。     

环型离子推力器放电机理研究进展

环型离子推力器是未来大功率电推力器中一个极具潜力的发展方向,将来有望广泛用于探月与载人航天、火星探测等深空探测任务。介绍了环型离子推力器的特点、优势和价值,指出了目前阻碍环型离子推力器发展及应用的关键问题。为了研究环型离子推力器的放电机理,综述了环型离子推力器放电室设计参数,如几何参数、电磁场参数和推进工质分布等,以及对其放电特性的影响;重点介绍了环型离子推力器与传统考夫曼型离子推力器相比差异较大的实验现象。在此基础上,介绍了环型离子推力器放电机理的数值模拟研究现状。最后,对环型离子推力器放电机理的研究及下一步发展进行了展望。     

微空心阴极放电机理及其在电热式推力器中的应用

近年来,微空心阴极放电（MHCD）技术的发展为研制适用于小卫星的先进新型微推力 器提供了可能。MHCD是微放电领域中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）。 本文针对MHCD,实验研究了微放电的电流-电压特性,并利用光学发射光谱的方法测量了微 等离子体中电子数密度和中性气体温度。结果表明,在稳定的辉光放电下,MHCD孔内的电子 数密度和中性气体温度随着压强和放电电流的增加而增大,电子数密度可达
10 14 cm -3 ,中性气体温度可达1000K。由此可以推断,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,完全可以开发应用在新型的电热式等离子体推 进上,研制成微空心阴极放电等离子体推力器。由于在微放电等离子体中加热了工质气体, 因此其性能可大大高于冷气推进。     

霍尔推力器寿命实验和计算分析

为了准确高效地预估霍尔推力器寿命,利用在真空舱内工作较短时间后的霍尔推力器结合三坐标测量仪测量其放电室陶瓷绝缘内外壁面轮廓的直径沿周向的变化情况,以此作为输入参数结合概率密度公式获得了高效率的半经验公式法模型和计算结果。采用文献算例对模型和计算代码进行了验证,表明改进后的模型和算法能够在霍尔推力器短时间运行的测量结果基础上较为准确地预测长时间工作后放电室壁面轮廓形状,进而得到推力器的使用寿命。在此基础上,针对影响HET-40推力器寿命的主要因素进行了考察,获得了相关的影响规律。结果表明,其他条件不变的情况下,霍尔推力器的寿命与输入功率乘积近似常数,对于本研究对象,该常数大约为3.6×106 W·h。     

钡钨空心阴极等离子体放电模式实验研究

主要通过实验的手段,系统研究了钡钨空心阴极的等离子体放电特性及其工作模式。实验中,使空心阴极工作在三极管构型下,调节相应的放电参数,详细分析钡钨空心阴极放电特性的变化规律、存在的放电模式及其转化规律。最后得到结论：钡钨空心阴极放电表现为羽毛状、亮斑状和弥漫状等3种典型的工作模式;不同放电模式可以用放电电流、放电电压及其振荡特性进行判定和区分;随着放电参数的变化,几种放电模式之间可以相互转化。     

霍尔推力器羽流离子能量实验研究

霍尔推力器羽流中的离子能量分布情况对于评估推力器羽流影响,优化推力器在航天器上的布局具有重要意义。本文使用阻滞势分析器对霍尔推力器羽流的离子能量分布进行了实验研究,获得了推力器在不同工况下羽流场中关注位置的离子能量分布状况。实验结果表明:霍尔推力器羽流离子主要由电荷交换碰撞产生的低能量离子和高能量源离子组成;高能量源离子的分布在推力器轴线达到最大值,低能量离子的分布随着与推力器轴线夹角的减小呈先增后减态势;随着霍尔推力器放电电压的提高,羽流源离子能量分布会相应向高能量方向偏移。     

稳态等离子体电推进技术研究现状及其关键技术

研究表明,稳态等离子体推力器(SPT)具有比冲大、效率高、寿命长的优点,是具有较高性能的先进空间推进系统之一,已广泛应用于小卫星的姿态控制和轨道保持。概述了SPT的系统组成和工作原理,重点介绍了SPT的研究进展、主要性能参数、关键技术及其在潜在应用领域中的性能优势,指出其关键技术有空心阴极的热设计和结构设计以及弯曲磁场位形的设计。对我国SPT研究内容提出了建议。     

脉冲等离子体推力器等效电路模型分析

脉冲等离子体推力器(PPT)的放电电流与推力器性能有密切关系。为了分析影响脉冲等离子体推力器放电电流的因素,建立了推力器放电过程中的等效电路模型,分析了等效电路中电感及电阻的分量,并对简化的等效电路模型进行解耦,得到了放电电流的3种状态。通过实验以及方程解耦,得到了实际电路中的等效电感及等效电阻值,研究了等效电感及电阻中影响推力器性能的因素。结果表明,推力器的间距和放电能量改变了等离子体的电感及电阻值,从而改变了放电电流曲线,影响了推力器的电磁加速性能。设计PPT时,应尽量减小电极的寄生电感和电阻,采用内感和内阻较小的放电电容,获得较高的PPT效率。     

离子推力器栅极放电分析和保护设计

离子推力器的栅极结构复杂、电压高,两栅之间容易发生放电,给离子电推进正常工作带来影响,文章提出推力器加工工艺和过程污染物是产生放电的主要原因。分析国内外离子电推进系统放电现象,建议采用放电保护设计,以有效保护电推进系统及卫星的正常工作。文章以电源处理单元为主,给出了针对离子推力器栅极放电的保护设计和系统控制保护措施。     

微波等离子推力器等离子体形成及其与微波耦合机理分析

微波等离子推力器（MPT）的最大优点是微波在谐振腔内放电使工质形成悬浮的等离子体，没有是极的烧蚀与寿命问题。文中计算了MPT谐振腔内氦气工质击穿场强与腔内气压的关系，结合实验现象及参数调节分析了微波等离子推力器等离子体形成的基本物理过程及影响等离子体稳定的因素、等离子体与微波耦合的机理等，为建立微波、等离子体、流场间的耦合计算模型奠定了基础。     

霍尔推力器点火过程研究现状及展望

为了总结霍尔推力器点火启动过程方面的研究成果，梳理未来的研究方向，对国内外相关研究进展进行了综述，详细分析了霍尔推力器点火启动过程及其关键研究点，总结了霍尔推力器点火启动过程中阴极电子源效应、点火启动条件、点火启动过程及等离子体演化过程、点火冲击电流、抑制方法以及点火过程向稳态转换过程的基本概况和发展趋势。面向未来深空探测、商业航天等空间推进任务，提出了霍尔推力器点火启动过程值得研究的问题和方向。     

碘工质霍尔推力器内部过程数值模拟

随着霍尔推力器的大力发展，碘工质霍尔推力器越来越受到研究人员的重视。深入了解碘工质霍尔推力器放电室内部过程，为优化推力器性能和拓展空间应用提供依据。建立了二维PIC/DSMC/MCC混合方法模型，结合鞘层和二次电子发射模型，根据碘工质特性，加入解离-电离过程，在定壁温条件下，针对200 W碘工质霍尔推力器放电室内部过程开展了数值模拟，考察其放电室内等离子体的多场耦合特性以及与壁面的相互作用过程。研究其放电通道内部的等离子体行为，分析放电室内的等离子体参数，获取其离子数密度、离子轴向运动速度、电子温度等特征参数，将模拟结果和氙工质进行比较。结果表明:相较于氙工质，碘工质霍尔推力器存在解离区，宽度约为2 mm，位于近阳极区之后、电离区之前。     

附加场强度对低工况AF-MPDT性能的影响

附加磁场强度与位形是大功率磁等离子体动力推力器(Applied Field Magnetoplasmadynamic Thruster, AF-MPDT)重要工作参数之一。为验证附加磁场强度对低工况下AF-MPDT性能的影响,采用北京控制工程研究所联合北京航空航天大学研制的100 kW级AF-MPDT原理样机,利用推力靶测量系统进行高温震动环境下的推力测量,针对不同附加磁场强度(30～230 mT)下的推力器开展中低功率性能研究实验。实验结果表明,在一定范围内,增加磁场强度可提升低工况下推力器推力、比冲、放电电压及效率等性能指标,并且放电电流越大,性能提升效果越明显。分析表明,低工况下AF-MPDT推力、比冲与磁场强度的平方根呈线性关系;推力器放电电压与磁场强度呈线性关系;推力器效率随磁场强度增强而增加,最终达到相应工况下的极限。     

电火箭空心阴极发射体寿命研究

分析了影响电火箭空心阴极发射体寿命的各种因素。论述了空心阴极放电时，其内部化学反应生成物的迁移、扩散、蒸发和溅射。讨论了发射体发射材料的损耗速率与温度的关系，指出知度降低发射体的工作温度是延长空心阴极寿命的有效措施，还讨论了工质气体纯度和真空环境对发射体寿命的影响。