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。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

空间电推进应用及技术发展趋势

充分调研分析了国外空间电推进技术及典型应用情况,详细介绍了电推进在GEO卫星位置保持和轨道转移、深空探测主推进、中低轨道航天器无拖曳控制与高精度姿态控制、空间太阳能电站轨道维持等领域的空间应用情况。对电推进在国内不同领域的应用需求进行了分析,包括GEO卫星位置保持和全电推进、近地小行星探测等深空探测主推进、低轨航天器无拖曳控制和轨道维持、(超)低轨小卫星编队飞行及(微)小卫星精确轨道控制和空间太阳能电站轨道维持等任务。电推进技术正朝着高功率、大推力、低功率、微小推力、宽功率范围推力连续可调、高比冲、长寿命和多模式方向发展。针对电推进在不同应用领域的需求及电推进技术发展方向,提出了我国未来20年拟开展的电推进技术研究项目。     

碘工质霍尔推力器原理与研究进展

霍尔效应推力器作为一种先进的电推进装置受到国内外航天界的广泛关注,利用氙气作为推进剂的中功率霍尔推进技术已相对成熟,并有上千台霍尔推力器在轨运行。然而,作为一种稀有气体,高纯度氙气价格昂贵,相对固体推进剂其储存密度偏低,高压储箱给安全和减重带来不利。因此,寻求一种新型固态工质替代氙气具有重要意义。2006年,有学者提出利用固态碘特有的升华和电离特性,可以代替氙气作为霍尔推力器的推进剂的想法,并对此进行了原理样机设计和初步实验研究。首先对国外的研究进展和目前能达到的推力器性能进行了概述,接着阐述了碘工质霍尔推力器的工作原理,然后总结了该推力器研究的关键技术和理论上可行的解决方案,最后对碘工质霍尔推力器的应用前景进行了展望。     

两种激光烧蚀微推力器工作模式的讨论

激光烧蚀微推力器技术是激光推进技术最有可能率先实现工程应用的技术研究方向。作为一种新型的空间推进领域电推进推力器技术,以其系统集成度较高、电功耗较低、冲量元精准等优势特性,在推进性能和系统集成等方面形成鲜明的特色,对于多种空间推进任务具备潜在的应用价值。以激光烧蚀微推力器发展历程为背景,总结提炼当前推力器技术发展趋势,提出了激光烧蚀微推力器目前最具研究价值的两种工作模式,分别对高低比冲两种不同工作模式进行了性能分析和比对,对激光烧蚀微推力器应用前景进行了展望,最后给出了进一步研究的建议。     

电推进在深空探测主推进中的应用及发展趋势

随着太阳能电池阵列电功率的不断增长,高比冲电推进在深空探测主推进任务中的应用成为现实,且有明显增加趋势。在我国实施两次月球探测任务之后,深空探测将成为我国航天领域的重要组成部分。从20世纪90年代末开始,美国、日本和欧洲相继发射了四个由电推进执行主推进的深空探测器-深空一号探测器、隼鸟号小行星探测器、智慧一号月球探测器和黎明号小行星探测器,极大地提升了深空进入能力,且获得了很多科学数据。本文分析深空探测主推进对电推进的需求,对电推进在深空探测主推进任务中的应用现状进行综述,分析关键技术和发展趋势,为我国深空探测推进技术发展提供参考。     

美国AEHF军事通信卫星推进系统及其在首发星上的应用

美国先进极高频（AEHF）项目将采用4颗运行于地球同步轨道（GEO）的AE—HF军事通信卫星。AEHF卫星的推进系统由远地点发动机、姿态控制发动机组和双模式霍尔电推进子系统组成。首发星AEHF-1是世界上首个采用霍尔电推进系统执行发射后轨道提升任夯的GEO卫星。AEHF-1卫星星箭分离后,远地点发动机未能正常工作,因此...     

Development of HEP-XXMF Series Hall Thrusters in BICE

Hall thruster is a type of electric propulsion thruster which is often regarded as a moderate specific impulse space propulsion technology and is used primarily for station keeping and orbit maintenance tasks. Magnetic field is the most important aspect in Hall thruster's design. Each time the performance improvement of Hall thrusters is accompanied with the regeneration of magnetic field design. Now, all the major space nations treat the magnetic field design as the key technology for Hall thrusters, and many Hall thrusters have emerged in recent years, for example, BPT-4000 and NASA-173 M. In China, based on magnetic focus technology, the Beijing Institute of Control Engineering(BICE) has been developing Hall thrusters ranged from hundreds of watts to 5 kilowatts, including the 1500 W HEP-100 MF and the 5 k W HEP-140 MF Hall thrusters. This paper briefly reviews the development of the HEP-XXMF series Hall thruster. The principle of the Hall thruster, the design methods and the current status of HEP-100 MF and HEP-140 MF are discussed in the paper.     

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。     

国外空间推进技术现状和发展趋势

空间推进技术通常可分为常规化学推进、电推进、微推进和新型推进4大类。常规化学推进是目前航天器的主要推进方式,性能继续提升。电推进已成功证明其优势和可靠性,在各种卫星和深空探测器上大量应用,且朝更宽泛功率的方向发展。蓬勃发展的微小卫星对微小推力、小质量、低功耗的微推进提出了迫切需求。无毒化学推进、太阳帆推进、核推进等新型推进技术正在加紧研制或进行空间飞行试验。首先综述国外卫星和深空探测器等航天器的各类空间推进技术应用和研究现状,然后分析其发展趋势,最后提出对我国空间推进技术的发展建议。     

BPT-4000霍尔推力器功率处理单元

BPT-4000是世界上迄今为止在空间应用中功率最大的霍尔推力器,其配套的功率处理单元输出功率可达4.5 kW。详细介绍了BPT-4000功率处理单元的性能参数,内部各电源模块的设计状况。BPT-4000功率处理单元测试结果表明,其各项电性能指标均优于设计要求。     

电推进航天器的特殊环境及其影响

文章介绍了应用离子和霍耳电推进系统在航天器周围产生的等离子体和电磁场等特殊环境,讨论了这些特殊环境对航天器各分系统或部件产生的溅射腐蚀、沉积污染、充放电、等离子体干扰、碰撞动力学扰动等影响效应,探讨了研究电推进与航天器相互作用效应的地面试验技术、空间飞行试验技术和模型分析技术,介绍了离子电推进系统与航天器相容性分析评价的技术要点。     

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。     

面向任务的电推进航天器性能优化与控制

针对电推进(EP)系统的性能与任务耦合优化及控制问题,提出一种基于电推进特征参数模型的耦合优化方法。以入轨有效载荷质量转移率最优为目标,推导出化学-电推进组合任务与多模态全电推进任务的完备形式的拓展火箭方程与最优比冲(Isp)表达式,得到多模态连续电推进最优比冲的计算方法,并得到相关参数对最优比冲的影响规律。结果表明,提出的耦合优化方法与最优比冲公式对求解多模态电推进任务的最优比冲和研究电推进航天器耦合优化控制问题具有指导意义和通用性。     

碘工质电推进储供系统设计及实验

霍尔推力器越来越多地用于空间电推进,由于高纯度氙气获取难度大、成本高昂,故需要寻找其他种类的工质代替氙气用于空间推进。碘的升华温度较低,且常温储存时为固态,作为推力剂具有减小系统体积、降低成本等优势,但是适配的储供系统尚不成熟。通过比较碘和其他工质的相关特性,阐明碘作为空间电推进工质的优势,总结了国内外相关实验,说明使用碘作为推进剂的可行性,设计新型热辐射加热储罐,完成了碘工质储供系统的初步实验,对系统设计进行规划。实验结果表明:热辐射加热储罐相比于传统外部加热储罐具有更好的调节性能。