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。     

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。     

磁等离子体动力推力器发展历程及工程应用中关键技术分析

磁等离子体动力推力器具有比冲高、推力密度大的特点,被认为是未来大功率空间任务最有潜力的推进方案之一。作为电磁推进装置的一种,磁等离子体动力推力器的性能与磁场密切相关。文章从磁场来源的角度讨论了磁等离子体动力推力器的发展历程,分别介绍了自身场磁等离子体动力推力器和附加场磁等离子体动力推力器的工作原理以及几款典型的推力器原理样机的结构和特点。此外,分析了推力器综合效率与磁场产生效率之间的关系,针对磁等离子体动力推力器的工程应用中的一些关键技术进行了探讨,具体包括大功率空间能源系统、推力器寿命、推力器小型化和轻质化等方面,并列举了国内外研究机构在这些方面做出的部分研究工作。最后对磁等离子体动力推力器的未来发展方向进行了展望。     

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。     

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。     

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。     

基于微波等离子推力器的地球同步轨道卫星任务优化计算

将微波等离子推力器（MPT）应用于“东方红三号”（DFH-3）卫星的推进子系统，完成其轨道转移和南-北位置保持任务。建立了卫星任务和系统优化计算模型，采用遗传算法对卫星轨道转移和位置保持任务进行优化模拟计算，讨论了推力弧段和推力等对卫星变轨时间、MPT累积工作时间、卫星干质量和有效载荷的影响，结果表明，采用MPT可大大减少推进剂工质消耗，增加有效载荷，变轨时间明显大于化学推进，但小于相同电功率的其他电推进。     

自由分子流微电热推力器工作特性和性能研究

微推进地面试验系统由推进剂贮存供应控制单元、电源供应控制单元、虚拟仪器测控单元和推力器等组成。通过FMMFL的设计加工和地面试验系统建设,在大气状态下,对FMMR的工作特性和性能进行研究,并与理论分析和数值模拟计算结果进行了对比分析。研究结果表明,在大气状态下,基于MEMS的薄膜温度传感器和薄膜加热器工作稳定;当输入功率为14．6W,工作压强为100Pa时,推力器工作温度为600K。推进剂工质为N2时,质量流量为3．720mg／s,比冲为54．254s,推力为1．979mN;推进剂工质为H2O时,质量流量为2．976mg／s,比冲为68．163s,推力为2．000mN。FMMR的各项性能参数与理论分析结果一致。通过优化设计和系统集成,FMMR的性能将得到进一步提高。     

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。     

基于有效比冲的小卫星冷气推进系统设计

提出了面向目标任务的小卫星冷气推进系统设计方法。应用有效比冲 作为小卫星推进系统的评价指标,将贮箱质量引入到常用冷气推进剂选择标准中,建立了面 向目标任务的冷气推进方案设计方法;推导了冷气微推力器的一般设计流程;最后,对某目 标任务,设计了推力为20mN的氮气推进系统。
     

离子与霍尔电推进性能和质量的工程数据模型

为了提供航天工程任务设计时优选离子或霍尔电推进的通用对比分析方法,基于工程数据建立了包括推力器、电源处理单元、推力器选择单元、控制单元、推进剂气瓶、调压单元、流率单元、推力器支架、电缆、管路等产品的电推进的性能和质量经验模型。在此基础上通过推导建立了电推进系统干质量通用模型,模型变量参数包括推力器功率、推力器数量和推进...     

电推进系统空间试验技术研究

电推进系统的相容性、空间推力/比冲等是空间应用关注的重要性能指标。根据电推进系统未来空间试验技术发展趋势,调研了国内外离子、霍尔电推进系统的推力、电磁兼容性、对卫星的污染等空间试验情况,结合我国电推进系统首次开展空间试验现状、电推进系统的布局,以及星上配备的卫星污染与电位监测器,对空间环境条件下卫星的污染、电推进自身及卫星设备的电磁兼容性、空间推力标定方法、推进剂剩余量分析方法等进行了研究。通过电推进系统在轨连续试验、电推进羽流影响等分析,得到电推进对卫星周围污染情况、电推进与卫星平台的电磁兼容性等在轨性能参数,可为全面评价电推进系统技术、科学制定电推进空间试验计划及电推进空间应用提供依据。     

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...     

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。     

全电推商业卫星平台研究综述

近年来,电推进技术在空间推进中的应用越来越普遍,电推进系统主要应用于低地球轨道、同步地球轨道和星际任务三个方面。在轨道转移过程中,与传统双组元化学推进系统需消耗数吨推进剂相比,全电推进完成从地球转移轨道到同步地球轨道的变轨过程仅需数百千克推进剂,从而能够有效降低发射质量,显著提高商业效益。基于全电推进的商业卫星平台能够较大限度地提升卫星荷载比、充分发挥卫星平台承载能力,并提升卫星平台综合性能。从调研电推进系统研制和应用现状入手,介绍了国外全电推商业卫星平台开发情况,借鉴国外发展模式并结合我国电推力器研制基础和能力,提出了国内全电推商业卫星平台总体方案。     

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。     

小功率N_2推进剂电弧推力器工作过程和性能实验

电弧推力器 (arcjet)因其高推力 /功率比、高推力密度等特点成为当前国际上电火箭研究和应用的热点。文章描述了 arcjet的内部工作机理 ,介绍其实验和工作参数测量方案 ,针对小卫星使用 N2 作为推进剂 ,对 4种不同结构尺寸的小功率 arcjet进行了不同工况下的性能实验 ,给出初步的发动机工作性能参数及实验结果分析。实验结果表明优化推力器工作参数并合理设计其结构尺寸可提高推力器性能。所得结论对小功率 N2 arcjet推力器的优化设计具有的参考价值。     

微小卫星用脉冲等离子体推力器电源处理单元设计

近年来,随着微纳米技术的迅速发展,以及星上探测器、数据处理和传输设备日趋小型化,使微小卫星的研究和应用成为航天技术发展的一股新潮流。针对应用于体积和功率有限的微小卫星的电推进系统,以脉冲等离子体推力器为研究对象,介绍了电源处理单元的组成和功能。为进一步提高脉冲等离子体推力器点火的可靠性和使用寿命,设计了应用于微小卫星电推进系统的脉冲等离子体推力器电源处理单元,并对整个电源处理单元的稳定可靠性进行研究。结果表明,充电电源采用恒功率充电方式,在母线电压6.8 V条件下,以5 W的输入功率可将储能电容器恒功率充电致1600 V;放电点火电路采用LC振荡电路,减小了开关器件的电流应力,在输入电压800 V时,点火电流的峰值可高达100～150 A,这种大电流放电有助于清除火花塞表面的积碳,增加了点火的可靠性。     

基于环境工质的超低轨吸气式螺旋波电推进器仿真分析

为考察超低轨道高度环境下吸气式螺旋波电推进的可行性,基于180 km超低轨道高度环境工质,开展吸气式螺旋波电推进器的仿真模拟。进行以原子氧为工质,综合考虑碰撞、激发、电离等过程,通过13.56 MHz射频加热,由磁喷口完成推力输出全流程的仿真模拟。建立特定形态吸气式螺旋波电推进结构模型,结合不同功率的输入,分析功率沉积、等离子体参数分布和推力输出。结果表明,输入功率从200 W增加至2000 W的过程中,推力从6.00 mN增加至13.23 mN,能够满足0.226 mN的阻力补偿要求,可为超低轨吸气式电推进航天器设计提供参考。     

霍尔电推进流量调节模块研制及在轨验证

流量调节模块是霍尔电推进系统的关键模块,用于精确控制霍尔推力器的推进剂流量.上海空间推进研究所在多年研究工作的基础上,针对国内首次霍尔电推进空间飞行任务,选用金属多孔材料作为节流器件,成功研制了小型化微流量控制器及具有主备份支路的流量调节模块.本文介绍了流量调节模块设计思路、研制过程中的重要试验和在轨飞行验证情况,并针对后续电推进发展需求,提出流量调节模块的后续发展思路.