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〗     

离子推力器羽流钼原子沉积对卫星OSR片热控性能影响的仿真分析

离子推力器栅极组件中溅射出的钼原子随束流飞出,部分沉积在卫星光学太阳反射镜(OSR)表面,会对其热控性能产生影响。文章结合推力器与OSR片的相对位置,得到钼原子在OSR表面的分布;根据沉积厚度得到钼膜及复合膜的发射率和吸收比分布;根据OSR表面的热平衡方程,得到其温度分布,从而获得了钼原子沉积对OSR片热控性能的影响。结果表明:钼原子沉积引起OSR片的吸收比增加,OSR片温度升高最大为几十摄氏度,对温度变化较为敏感的设备应避免安装在推力器周围。     

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。     

1 mN射频离子推力器参数与性能分析

射频离子推力器是空间电推进的一种,其推力性能是系统设计的核心问题。为获得推力特性随设计参数的变化规律,采用数值计算方法进行了研究,开展了1 mN射频离子推力器设计计算,对不同放电室尺寸、流量、射频功率、屏栅电压下的推力性能进行了分析并进行了工况优化。结果表明,模型能够正确地描述射频离子推力器性能变化规律,放电室内径25 mm的推力器即可以实现1 mN推力指标,在最优工况下,推力器推力1.176 mN,比冲2 503 s,效率53.13%,满足设计要求。根据该模型研制的推力器样机成功点火,验证了数值模型的有效性,可以利用该模型为射频离子推力器研制工作提供指导。     

基于热仿真的泵压式多次起动发动机热控设计

某上面级主发动机采用常温可贮存液体推进剂,采用泵压式供应方案,依靠起动箱式多次起动系统使发动机具备多次起动工作能力,在轨工作2天。为使发动机温度环境满足工作要求,对发动机进行了热控设计,热控方案采用被动热控措施为主、主动电加热措施为辅以及起动前排放的综合措施。发动机热控设计基于热网络仿真分析法,通过建立整机热分析模型预示发动机任务剖面温度变化,为发动机提供合理的热控设计方案。     

神舟载人飞船热控分系统设计和在轨性能评估

针对神舟载人飞船热设计特点和难点，简要介绍了飞船的热控方案，并对热控分系统的飞行数据进行了深入分析，综合评估其在轨工作性能。飞行试验表明，飞船在临射前待发段、主动段、自主飞行段、返回再入段及轨道舱留轨各阶段，热控分系统均具有良好的调控能力和适应能力，全船仪器设备温度及密封舱空气温湿度均满足指标要求。     

一种伞状天线反射器型面热变形测量及分析模型在轨预示

文章详细介绍了在真空高低温环境下一种伞状可展开天线的型面测量过程。首先依据天线在轨热分析结果定义典型温度工况,然后采用红外加热笼与天线自身主动热控相结合的方法实现天线各部件不同温度的控温要求,并采用摄影测量方法测量典型极端工况下的天线反射器型面热变形。结果表明,测量值与试验前热变形预示结果一致性较好,证明天线热变形分析模型有较高精度。依据在轨热分析温度场计算天线在轨热变形,得到天线在最大温度梯度工况下的型面变化(RMS)最大为0.19 mm。     

分体式主动像元星敏感器高温度稳定度热设计及在轨验证

星敏感器是航天器姿态控制和天文导航系统的重要组成部分。遥感卫星在轨运行时,须降低其星敏感器温度波动,减小热环境变化带来的星敏感器光轴指向偏差,以提高卫星的姿态控制精度。文章以某太阳同步轨道卫星为例,采用常规热控措施实现分体式主动像元星敏感器安装法兰及支架高温度稳定度(T±2℃)的热设计,并在轨实施取得满意效果,可为后续分体式星敏感器热设计提供参考。     

50 kW级高功率霍尔推力器放电通道数值模拟研究

高功率霍尔推力器兼顾了比冲高、推力大、寿命长等特点。为了提高设计效率并考察热负荷问题，以50 kW级霍尔推力器为对象，采用单元粒子法(PIC)/蒙特卡罗碰撞模型(MCC)/直接模拟蒙特卡罗碰撞模型(DSMC)混合算法，建立二维对称计算模型。基于准电中性假设、中性原子考虑为背景气体，计算得到标准工况下(功率50 kW，流量86.4 mg/s)推力为2.2 N，比冲为2 598 s，与同类推力器实验结果对比，误差分别为5.18%和3.35%。在此基础上，考察了多种工况下(工作电压400~600 V，工质流量69.12~103.68 mg/s)放电通道内离子数密度、离子轴向运动速度、电子温度分布等参数。结果表明:增大工作电压会增强粒子间相互作用及离子加速喷出效果，流量调节影响电子温度和离子数密度分布;从推力器性能方面来看，增大工作电压，推力比冲随之增大，流量增大、推力增大，推力器的热损失功率占比达到15.94%。研究结果为高功率霍尔推力器的设计和实验提供了一定的参考依据。     

空间天线弹簧展开机构在轨展开热分析研究

径向肋伞状天线采用缓释弹簧分布式驱动技术实现在轨展开,弹簧展开机构可靠工作成为影响天线功能实现的决定性因素。机构暴露在舱外恶劣的空间热环境中,但其内部结构热变形和润滑特性等需求对工作温度提出了严苛的要求。本文结合伞状天线弹簧展开机构入轨初期的瞬时控温要求和卫星热控资源约束,采用有限元分析软件TMG,建立完整的热数学模型对机构在轨展开时刻温度水平进行了瞬态热分析和主动控温加热器优化设计。飞行遥测温度数据表明,弹簧展开机构热控设计合理可行,满足在轨展开时刻的工作温度要求,为天线成功展开奠定了良好的基础。     

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。     

小推力单元肼推力器温度场数值分析 (I)实验验证和保温套筒对温度场影响探析

建立了某小推力单组元肼推力器的全仿真传热数学模型,应用有限元分析方法对长程工作的不带套筒推力器瞬态温度场进行了热分析计算,并与试车温度数据进行了比较,数值计算结果与实验结果吻合良好,证明所用软件建立的模型合理。对增加套筒后的推力器进行了仿真模拟,结果表明,推力器脉冲长程工作后,单层套筒点焊于法兰盘上时集液腔温度较高,双层套筒时集液腔温度最高,均对法兰盘集液腔及电磁阀产生高温不利影响,推荐使用点焊在热控环上的热控方式;推力器温启动时,单、双层套筒保温效果相差不大,推荐使用单层套筒点焊于热控环上的热控方式。     

小推力单元肼推力器温度场数值分析 （I）实验验证和保温套筒对温度场影响探析

建立了某小推力单组元肼推力器的全仿真传热数学模型，应用有限元分析方法对长程工作的不带套筒推力器瞬态温度场进行了热分析计算，并与试车温度数据进行了比较，数值计算结果与实验结果吻合良好，证明所用软件建立的模型合理。对增加套筒后的推力器进行了仿真模拟，结果表明，推力器脉冲长程工作后，单层套筒点焊于法兰盘上时集液腔温度较高，双层套筒时集液腔温度最高，均对法兰盘集液腔及电磁阀产生高温不利影响，推荐使用点焊在热控环上的热控方式；推力器温启动时，单、双层套筒保温效果相差不大，推荐使用单层套筒点焊于热控环上的热控方式。     

第二代490N发动机热控设计

为解决“东方红四号”卫星平台因第二代490 N发动机点火而导致其周边重要结构件温度偏高的问题,重新对发动机周边结构件的热控进行了设计,包括采取隔热垫、高温隔热屏、热防护筒及控制对接框表面状态参数等热控措施,同时利用TMG热分析软件对改进的热设计进行了分析验证。分析结果表明:对接框在发动机点火期间的最高温度为57.5℃,小于温度指标上限值（70℃）,且余量充足;发动机支架的热变形情况也满足指标要求,验证了改进热控设计的正确性。     

空间站空空支架天线热设计与仿真分析

为研究核心舱飞行姿态、空间外热流、核心舱发动机羽流参数以及天线外表面热控涂层对空间站空空支架天线温度的综合影响,验证天线被动热控设计的有效性,进行了2种低温工况和6种高温工况的热分析。结果显示:低温工况下,通信天线惯性飞行时的最低温度低于正向飞行时的;展开臂多层表面最低温度为-85 ℃,满足温控指标。高温工况下,通信天线惯性飞行时的温度高于正向飞行时的;轨控发动机的羽流热效应大于偏航发动机的。通信天线内外表面均喷涂ACR-1温控白漆,1倍轨控发动机羽流热流密度时,最高温度为123 ℃,可满足实际使用要求。     

针栓式推力室冷却特性试验研究

针栓式发动机具有推力调节简单、声学燃烧稳定性好和成本低廉等一系列优点,但目前对针栓式推力室的冷却特性掌握还不够深入,研制过程中曾多次出现因推力室冷却组织不好而烧蚀的问题。采用针栓式推力室试验件,对身部的冷却特性进行了深入研究,结果表明:推力室圆柱段前端的温度较低,无需采用专门的冷却措施;末端内侧气壁温度会达到约1650℃,局部存在明显的烧蚀现象,必须采取有效的热防护措施;下游冷却液膜量的变化对圆柱段的冷却特性影响较小。     

一种卫星双组元推力器羽流热影响分析方法

给出一种分析星上设备受双组元推力器羽流热影响的方法。首先,提取待分析设备三维模型的STL(stereo lithographic)数据;然后,根据STL数据中三角形网格的法向矢量选取有效的三角形网格;最后,利用STL数据和推力器羽流热流场分布函数建立羽流热影响分析模型。不管设备表面能否用解析公式表达,文章提出的方法均能分析推力器羽流对其产生的热影响。     

离子推进器C/C复合材料栅极研究

栅极是离子推进器的关键部件之一,直接影响推进器的可靠性和寿命。由于C/C复合材料栅极具有比较小的热膨胀系数和较强的耐溅射性,可以提高离子推进器的可靠性并延长其寿命。文章通过调研综述C/C复合材料栅极的研究和应用发展状况,针对目前我国离子推进器的研究发展水平,提出开展C/C复合材料栅极研究工作的初步思路。     

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。