大功率射频场反构型等离子体电推进研究

大功率(MW级)射频场反构型等离子体电推进具有高比冲、长寿命、大推力和高效率的特点,是未来深空探测或空间货运极具竞争力和应用前景的电磁推进技术。针对国内外当前大功率推力器的研究进展,对比分析了场反构型等离子体推力器的独特优势,并对其结构和工作原理进行了介绍。从大功率射频场反构型等离子体电推进的磁拓扑结构优化设计、大功率脉冲电源技术和场反构型等离子体推力器的试验验证等角度分析了大功率场反构型等离子体电推进的关键技术。     

磁等离子体动力推力器加速机理研究与仿真

磁等离子体动力推力器具有高比冲、大推力的特点,是一种非常有前途的空间电推进形式。为进一步提高推力器的性能,需要进行强磁场下的推力器加速机理研究。与传统小功率电推力器相比,磁等离子体动力推力器功率大,推进剂流量大,导致实验研究难度大,成本高,存在一定的危险性。利用等离子体电导率模型和磁流体方程组,对强磁环境下推力器进行建模,在0.2、0.53、0.66、1.54 T不同磁场强度下进行了仿真。结果表明,推力器比冲和电压随着磁场强度的提高而增加,比冲变化范围3400～4650 s,电压变化范围120～236 V,推力器效率先增加、后减小,从60.8%增加到72.6%,最后减小到57.9%。研究结果表明,磁流体模型和电导率模型能够反映出磁场对等离子体的加速作用,磁场强度会影响比冲和效率。该模型可为以后推力器的设计和优化提供参考。     

百千瓦级大功率磁等离子体动力推进系统设计研究

基于强磁场线圈的一种新型100 k W级水冷附加场磁等离子体动力推进系统MAT-100S(100 k W applied-field magnetoplasmadynamic thruster system)由强磁线圈、空心阴极、扩张型阳极、水冷系统、电源处理单元。推进剂供给系统,热控子系统等组成。目前,整个系统还处于研究之中,各个模块在进行研制和试验。已进行了在强磁环境下等离子体动力推力器的试验研究,对推力器的性能进行了初步测试。在磁场强度0.4 T下,MAT-100S达到1.35 N(34 m N/k W)推力、比冲4200 s、效率70%。试验结果表明,强磁环境下,MAT-100S推力上有明显提升,羽流特性也有显著改善。说明在强磁场下可有效提高推力器的稳定性和性能。通过和小功率电推进和化学推进在实际任务中进行对比,推进剂消耗只有化学推进的1/10,传统电推进的1/2。在完成任务时间方面,消耗的时间只有传统电推进的1/3。采用强磁场磁等离子体动力推进系统能够更好地完成轨道转移和深空探测等任务,是一种非常有发展潜力的推进系统。     

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。     

磁屏蔽霍尔推力器磁场设计及实验验证

磁屏蔽能够有效减缓等离子体对霍尔推力器放电室壁面的腐蚀,是延长推力器寿命的有效途径,可以将霍尔推力器的寿命提高至满足长寿命航天任务要求的水平,有巨大的发展潜力。对磁屏蔽技术原理进行了分析,以口径120 mm的霍尔推力器为对象进行了磁场设计和验证实验。提出了一种壁面磁力线向阳极弯曲程度最大且与壁面尽量不相交的磁场构形,是该实验样机壁面磁力线等势程度最高的构形,10 h点火后磁屏蔽构形壁面腐蚀状况与传统构形壁面相比,全部壁面被沉积的黑色物质覆盖,显著减少了离子对放电室壁面的腐蚀。验证了该磁屏蔽磁场构形的显著效果,并对该磁屏蔽霍尔推力器的性能进行了初步研究,阳极流量62 sccm、放电电压300 V下的最优效率为54.23%,对应的羽流状态为"长筒状"。     

激光等离子体微推力器的发展及热点问题

激光微推力器在航天器的轨道调整、引力补偿、位置保持、轨道机动和姿态控制等方面存在巨大的潜在优势。对近年来激光等离子体微推力器的研究和发展进行了较全面介绍,并详述了激光等离子体微推力器发展过程中的几个热点问题,包括激光等离子体微推力器的工作模式和工质的选择、推力单元结构设计、微型激光器和微推力测试方法的研究与发展现状。通过对比分析,给出了目前所研究的激光等离子体微推力器的优缺点,为国内研制激光等离子体微推力器提供了一些有益参考。     

同轴型微阴极电弧推力器的设计及性能测试

为了给微纳卫星在轨动作提供合适的推力,研制了一种同轴型微阴极电弧推力器(CA-μCAT),采用同轴布置的棒状阳极和圆筒形阴极,利用真空环境下电弧放电产生的高温烧蚀金属阴极,电离产生等离子体,并在多物理场耦合作用下高速喷出推力器产生推力。文章分别对该推力器的放电特性、推进剂烧蚀速率、等离子体离子电流、元冲量等多个参数进行了测量与分析。结果表明,该推力器能够持续稳定点火运行,电离率在4%～7%;无外加磁场下,元冲量和比冲分别为0.485μN·s和195.6 s;在磁感应强度为0.044 T时,元冲量和比冲分别为1.285μN·s和518.2 s;平均推力在10μN量级。     

霍尔电推进技术的发展与应用

霍尔电推进具有推力密度大、推力功率比大、比冲高及系统可靠等优点,在20世纪60~70年代突破关键技术、完成空间试验后,在俄、美、欧等航天器上获得大量应用,执行位置保持、轨道转移、轨道调整和深空探测主推进等任务。目前,100 W级到5 k W级功率的霍尔推力器已经实现在轨应用,100 k W功率的霍尔推力器已在研制中。针对未来载人深空探测、GEO卫星、低轨和超低轨卫星及轨道机动飞行器等任务需求,霍尔电推进朝着更大功率包络,更强多模式调节能力,更高性能,更长寿命及推进剂多样化等方向发展。在分析霍尔电推进技术特点和适用任务后,对国内外霍尔电推进技术的发展现状、任务应用等进行了综述,最后对霍尔电推进的发展趋势进行了展望。     

场发射电推力器的研究现状及其关键技术

与传统的化学推进相比,电推进具有高比冲、小推力、长寿命等特点,能够大幅节省推进剂、增加有效载荷质量,从而增加航天器在轨寿命,提高航天器的整体性能与收益,特别适合用于航天器的姿态控制、轨道转移和深空探测等任务。场发射电推力器是一种具有比冲高、推力冲量分辨率高、推力噪声低、功耗及成本低、结构紧凑等优点的电推力器,是重力梯度卫星的高精度阻力补偿、微纳卫星的姿态控制和轨道转移、星座编队飞行等任务最有前景的推进技术之一。简述了场发射电推力器的工作原理、结构和特点,重点分析了国内外场发射电推力器的研究现状以及关键技术。     

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。     

电推进的现状与展望

小卫星的兴起将促进电推进的发展和应用。本文按电热式、静电式和电磁式三类电推进，分别简要回顾其发展历程，重点介绍目前正在空间使用的电弧式推力器和开始商业化的稳态等离子体推力器的发展现状。最后简述未来几种新型电推进的方案。     

适用于微纳卫星的微型电推进技术研究进展

微型电推进技术具备体积小、质量轻、功耗低、比冲高等特点,是微纳卫星最合适的动力技术。结合微纳卫星对微型电推进系统的技术需求,综述了微型离子推力器、低功率霍尔推力器、场致发射电推力器、离子液体电喷雾推力器、真空电弧推力器、脉冲等离子体推力器等六种典型微型电推力器的工作机理、性能参数范围及研究和应用现状,分析了气体工质电离、液体工质电喷雾、固体工质烧蚀等三种电离机制的微型电推力器的技术特点。结果表明:气体电离模式技术较成熟、寿命长,缺点是系统相对复杂、低功率工作时效率大幅下降,故建议应用于微卫星动力系统;液体电喷雾模式结构简单,效率高,微纳卫星均可应用,但性能一致性和长寿命工作特性需要进一步考核验证;固体烧蚀模式结构最简单,微纳卫星均可应用,缺点是效率低。研究结果可为微纳卫星推进系统方案的优选提供参考。     

电子回旋共振推力器中和器内磁场与微波电磁场计算分析

电子回旋共振推力器具有寿命长、比冲高、结构简单等特点,用于深空探测主推进具有很大的吸引力.中和器是电子回旋共振推力器的关键部件之一,其主要作用为产生电子,中和离子源发射的离子束流,它对保持电子回旋共振推力器的电位平衡有着重要作用.文中针对φ10 cm推力器的中和器,采用ANSYS有限元分析软件建立了磁路模型,计算了中和器内磁场分布,得出了方案中电子回旋共振面的位置.针对中和器的工作特,最,设计了多种天线方案,利用ANSYS软件计算了其对应的电磁场分布.计算结果表明,设计磁场提供的电子回旋共振面位置合理,L型天线方案可实现放电击穿,产生等离子体.计算结果对电子回旋共振推力器的中和器设计与研制提供了帮助.     

可变比冲磁等离子体火箭原理与研究进展

介绍了VASIMR的基本组成(螺旋波等离子体源、离子回旋共振加热系统I-CRH、磁喷嘴)及工作原理。可变比冲磁等离子体火箭(VASIMR)是一种基于可控核聚变思想发展的先进高功率电推进方式,具有高比冲、比冲可变等特点。通过分析系统的效率及关键技术,指出VASIMR研制最关键的问题是研制高性能的螺旋波等离子体源和提高ICRH的效率等,最后评估了VASIMR在空间任务中的优势。     

离子液体电喷推力器的关键技术及展望

首先介绍离子液体电喷推力器的工作原理和分类，通过与其他相同推力量级的电推力器对比进一步分析了其特点，然后总结了离子液体电喷推力器的国内外研究现状，在此基础上重点梳理了微尺度下带电粒子的产生与加速、微细制造与精密装配、推进剂贮存和供给、高升压比微功率电源处理单元以及比冲和推力测试等离子液体电喷推力器研制过程中涉及的关键技术，最后展望了小型化、模块化与推力密度提升的发展趋势并提出离子液体电喷推力器的发展构想。     

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。     

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。     

FMMR微推进系统推力测量装置研究

为了对自由分子流微型电阻加热推力器(FMMR)微推进系统的性能进行试验研究,设计了一个基于天平原理的微推力测量装置,装置采用微推力器自重与推力相分离、触点式外接供电和推进系统集成方法,有效消除了供电电缆和推进剂供应管路的影响.结果表明,测量精度可达±8％,能够满足mN级微小推力测量的精度要求;同时,通过对结构进行一定改...     

自由分子流微电热推力器数值模拟计算

基于微机电系统技术的自由分子流微电热推力器(FMMR)是一种微型电热推力器,它具有集成化程度高、体积小、质量轻、响应速度快、推质比高、可靠性高和易于集成为推进阵列等特点,它在军事和民用微/纳航天器方面有广阔的应用前景。通过建立合理的数学模型,如分子与壁面相互作用模型采用CLL模型,分子模型采用变径硬球模型,分子碰撞对的选取采用取舍方法。采用直接模拟蒙特卡罗方法结合信息保存法对FMMR的流动特性进行了数值模拟计算和性能计算,并对影响推力器性能的各种因素进行分析。计算和分析结果表明,当采用氩气和水作为推进剂工质,薄膜电阻温度为600K,工作滞止压强为500Pa时,FMMR推进单元的比冲分别为47.900s(1s=9.8N·s/kg)和68.163s,推力为0.158mN,效率为25.8%。通过优化设计、系统集成等可以进一步提高推力器的比冲、推力和效率。     

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。