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。     

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。     

20 cm离子推力器电磁辐射试验研究

离子推力器工作时会产生对外电磁辐射,因此离子电推进应用于航天器时存在电磁兼容性问题。为初步了解离子推力器工作产生的电磁辐射特性,利用经改造后的地面专用试验系统进行了20 cm离子推力器电磁辐射测试试验。文章介绍了20 cm离子推力器电磁辐射的试验方案,采用两种形式进行:推力器电场辐射发射试验,测试频段为10 kHz～5 GHz;推力器瞬态电场辐射发射试验,测试频段为100 kHz～5 GHz。试验结果表明:在离子电推进稳态工作过程和几个瞬态工况点,未发生电磁干扰现象。     

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...     

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。     

中国星载电推进系统地面验证项目通过评审

<正>据《中国航天报》2013年8月27日消息,近日,我国星载电推进系统地面集成验证项目顺利通过立项论证评审,标志着该演示验证项目将进入工程实施阶段。电推进是我国高轨卫星应用的重要发展方向。近期,我国完成了较大口径离子推力器等单机的研制,突破电推进的关键技术。在我国"十二五"计划初期,把电推进作为东方红-3B卫星平台的标准配置,使我国电推进工程应用迈出关键的一步。     

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。     

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。     

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。     

霍尔推力器电磁辐射测量方案研究

电磁辐射特性的检测与评估是电推进系统与航天器系统间电磁兼容性研究的重要组成部分。电推进放电室和电子电路间电压、电流振荡引起强电磁辐射干扰,可能会对卫星平台及载荷运行产生不良影响,开展电推进电磁兼容性能测试试验十分必要。介绍了霍尔推力器电磁辐射测试系统研制方案,为优化霍尔电推进系统性能设计提供参考。     

Alphabus卫星平台研制进展及技术特点分析

在欧洲航天局及法国国家空间研究中心的联合支持下,Astrium公司和TAS公司目前正在联合开发欧洲大型通信卫星平台Alphabus,作为对目前欧洲已有卫星平台Eurostar和Spacebus产品线的延伸。正常情况下Alphabus平台可以承载功率12～18kW,质量1500kg（最大）的有效载荷。文章主要介绍了Alphabus平台研制的背景、途径、进展情况及技术特点,并分析了对我国大型通信卫星平台研发的启示和借鉴作用。     

电源卫星在卫星体系中应用的初步研究

介绍了电源卫星的概念及其国内外研究现状。设想了电源卫星在卫星体系中作为卫星编队电源、地球卫星公共电源设施,以及深空探测和行星际旅行的"铺路"卫星等应用。讨论了空间发电、无线电传输(WPT)等技术,电源卫星工作效率和初步设计与可行性分析。     

多任务模式电推进技术

调研了多任务模式电推进技术在地球静止轨道卫星和深空探测器中的应用情况,电推进技术的应用由南北位置保持任务模式逐步向南北位置保持和轨道转移等多任务模式发展;总结了多任务模式电推进技术在功率需求、比冲、推力等方面的技术特点;从卫星平台技术、推力器技术、可变功率电源转换及控制技术、可变流量调节技术,以及多自由度、大角度矢量调节技术等方面,分析了多任务模式电推进在工程应用中要解决的关键技术。     

国外微波等离子推进器研究的新进展

回顾了国外微波等离子推进器（ＭＰＴ）的发展历史，简单介绍其基本工作原理与主要部件的设计、选材，论述理论与实验研究的新进展，给出推力、比冲与实验参数的范围。通过与电弧及电阻加热推进器的比较，得出结论：微波等离子推进器具有寿命长、效率和比冲高的优点，可用于地球同步通讯卫星的南北位置保持等。     

Satellite broadcast usage and life test of high power S-band Traveling Wave Tube Amplifiers

Broadcasting radio programs from satellites to mobile users has been operating for many years in the United States, Canada and South Korea. The service, generally called Satellite Radio, is provided at S-band radio frequencies. Satellite Radio users require near perfect service availability. Since most users are mobile (automobiles and handheld reception), the antennas of their receivers have little gain necessitating very high effective isotropic radiated power (EIRP) from the satellite to provide the required availability particularly under fading conditions. Despite using a satellite directive transmitting antenna, the achievement of this high EIRP requires a satellite transmitter radio frequency power output of over 7 kW. This is typically achieved by paralleling 32 Traveling Wave Tube Amplifiers (TWTAs). The configuration, usage and technical aspects of such satellite transmitters are described. These satellite transmitters are critical to Satellite Radio service both for performance and for operating lifetime, typically over 15 years. Because of this importance, detailed lifetime laboratory testing is being done on the TWTAs as reported herein.     

The economics of large orbital communications systems

This paper examines the economics of a very large satellite in geostationary orbit. Present day charges for satellite transponders are used to show that the seemingly high cost of this type of platform is rapidly repaid. Several orbit locations are selected on the basis of current usages and a satellite is configured with the power and mass requirements identified. Costs for the total space segment of a large platform are extrapolated using established cost histories of both satellites and launch vehicles. It is shown that the original investment is repaid in less than three years. After this time, the platform continues to earn revenue.     

基于Saber-Simulink的PPT卫星电源控制器联合仿真

本文的目的是通过Saber-Simulink联合仿真来验证作者建立的峰值功率跟踪(PPT)卫星电源控制器的有效性以及这种联合仿真方法的合理性。首先在MATLAB/Simulink中建立卫星电源控制器模型,包括PPT控制器模块,工作模式转换模块以及恒流-恒压(CC-CV)充电控制器模块。结合Simulink和Saber两者的优势,详细介绍了两软件接口定义方法并对基于PPT的卫星电源系统进行联合仿真。仿真结果表明卫星电源控制器工作模式切换正常,Saber-Simulink联合仿真是一种可靠的系统仿真方法,适合用于卫星电源控制器的仿真。     

空间核动力平台电力管理系统的设计

空间核动力平台是一种全新的电源推进一体化航天器,其电力系统具有三相交流输出、工况多且复杂、母线电压体制多等特点。为了解决空间核动力平台负载供电诸多难题,通过对系统功能、负载类型、母线体制、组成配置、工作模式、控制机制等方面论证分析,提出了一种新型空间核动力平台电力管理系统架构。其中,变配电系统从硬件实现角度解决了基于布雷顿热电转换系统输出为负载稳态供电问题,自主控制系统从软件控制角度解决了主能源、辅助能源等多能源间流动控制以及负载暂态匹配问题,这为未来空间核动力平台电力管理系统研究工作奠定了基础。     

卫星S3R功率调节电源系统稳定性分析

针对大功率脉冲型负载应用造成的卫星电源系统运行不稳定问题,依据稳定性阻抗判据,建立以顺序开关分流调节器(S3R)为拓扑的电源系统在正常工作状态时输出阻抗的小信号模型。通过仿真对输出阻抗的影响因素进行分析,采用注入电信号的方法测量卫星电源系统的输出阻抗,并在小卫星平台上进行测试验证。结果表明,通过测试能够有效地获得电源系统的输出阻抗,并可由此确定卫星平台电源系统的稳定性指标要求。