空心阴极耦合放电的寿命损耗机理研究综述

空心阴极和离子推力器或霍尔推力器的耦合放电与其和平板阳极的独立放电有明显差异,主要表现为工作特性不同和寿命大幅缩短等。基于空心阴极的设计寿命与其在推力器中实际寿命显著不同的事实,归纳分析了空心阴极在推力器中寿命缩短的主要原因,总结了推力器中电场、磁场、背景中性气体密度等因素对空心阴极寿命的影响机理研究现状,并提出需要进一步深化的主要研究内容。     

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.     

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。     

氙离子推力器束流分布特性研究

建立了离子推力器束流分布的高斯模型,以200mm氙离子推力器为例,在不同工作环境下对推力器束流分布进行了数值模拟,并通过试验测量了推力器引出切面不同位置(轴向z=50mm,z=100mm)下的径向束电流密度和束离子密度分布。通过对数值模拟结果与试验测量结果的比较,误差为17%,认为数值模拟结果与试验测量结果吻合较好。表明离子推力器引出束流呈轴对称分布,在推力器出口附近,束离子密度很大,越往下游,密度越小且束流出现发散。     

LIPS-200离子推力器寿命地面试验方案研究

在系统调研和分析国外用于地球静止轨道（GEO）卫星南北位置保持的离子推力器寿命试验方法和技术的基础上,结合我国通信卫星工作寿命需求和LIPS-200离子推力器产品研制现状,提出和论证了LIPS-200离子推力器地面寿命试验验证的目的和技术方案,讨论和分析了与寿命试验方案密切相关的内容。     

20cm离子推力器束流平直度的改进方案

针对20 cm离子推力器(LIPS-200)存在束流平直度较差等问题,分析了提高LIPS-200束流平直度的几种方法,主要包括采用4极磁场、阴极前端增加挡板、改变供气方式和栅极孔径补偿设计等。利用数值方法详细研究了磁场对推力器束流平直度的影响。PIC-MCC方法用于模拟放电室内的等离子体放电过程,粒子模拟的磁场输入利用有限元软件MAXWELL计算得到。计算表明,优化磁路结构后的推力器比基线推力器束流平直度提高了29%,同时放电损耗下降了3%。通过分析可看到,单独优化磁路结构或者将优化磁路结构与其他方法相结合能有效提高LIPS-200的束流平直度。     

碘工质霍尔推力器内部过程数值模拟

随着霍尔推力器的大力发展，碘工质霍尔推力器越来越受到研究人员的重视。深入了解碘工质霍尔推力器放电室内部过程，为优化推力器性能和拓展空间应用提供依据。建立了二维PIC/DSMC/MCC混合方法模型，结合鞘层和二次电子发射模型，根据碘工质特性，加入解离-电离过程，在定壁温条件下，针对200 W碘工质霍尔推力器放电室内部过程开展了数值模拟，考察其放电室内等离子体的多场耦合特性以及与壁面的相互作用过程。研究其放电通道内部的等离子体行为，分析放电室内的等离子体参数，获取其离子数密度、离子轴向运动速度、电子温度等特征参数，将模拟结果和氙工质进行比较。结果表明:相较于氙工质，碘工质霍尔推力器存在解离区，宽度约为2 mm，位于近阳极区之后、电离区之前。     

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"。     

空天瞭望

正欧空局试验吸气式电推力器作为一项世界首创,由欧空局牵头的一个团队已制造出一台能从大气层上方吸入稀薄空气分子作推进剂的电推力器,并成功进行了试车,为让卫星在极低轨道上工作多年带来了可能。利用能对空气阻力连续加以补偿的电推力器,欧空局的"重力场与稳态洋流探测器"(GOCE)引力测绘卫星在高度只有250km的轨道上工作了5年多。不过,其工作寿命受到所载40kg氙推进剂的限制,已因氙耗尽而寿     

单模式LIPS-200离子推力器的寿命及可靠性定量评估

针对离子推力器产品工作寿命及可靠性定量评估的难题,结合单工作模式LIPS-200离子推力器产品成熟度提升需求,通过寿命主要影响因素耦合分析,应用试验数据、数值模型和数理统计方法,提出了单工作模式离子推力器寿命及可靠性定量评估的可行技术途径:通过分析模型、验证试验和数值模型之间的不断迭代实现各失效模式对应磨损模型的精细化...     

Development of hall thruster propulsion system for STSAT-3 application

Science and technology satellite-3 (STSAT-3) is being developed and is scheduled for launch in 2011. One of the primary objectives of its mission is to verify the performance of a hall thruster propulsion system (HPS) that uses xenon gas. According to its major functions, the HPS can be divided into several sub-modules. This paper presents the development and qualification of the hall effect thruster propulsion subsystem that includes a xenon feed system (XFS). The xenon feed system regulates the pressure down from the xenon propellant tank and supplies the xenon flows to the anode and cathode. The technology and xenon feed system developed for the STSAT-3 spacecraft will also be applicable to a variety of future electronic propulsion systems and micro-satellites. Details related to the overall development and performance results of the HPS are presented in this paper.     

地面寿命试验中离子推力器表面的溅射沉积量计算

有效降低溅射沉积影响是离子推力器地面寿命试验需要解决的重要技术问题。文章建立了真空舱壁上溅射物沉积到离子推力器表面的计算模型。应用该模型计算了LIPS-200推力器在TS-7真空舱中进行寿命试验的背溅射沉积情况,对钛（Ti）材料和石墨（C）材料内衬,背溅射沉积量分别为0.79 μm/kh和0.20 μm/kh。对比美国NSTAR和NEXT离子推力器寿命试验中的背溅射沉积量测量数据,文章中的计算结果表明,LIPS-200推力器的表面沉积污染在可接受的范围。     

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〗     

离子火箭发动机羽流特性分析

分析了离子火箭发动机羽流组成和各种粒子的产生机理,建立了束离子、中性推进剂原子、交换电荷离子的物理模型,并以20cm氙离子火箭发动机为例计算了羽流中各种粒子的空间分布。通过对羽流组分分布特性的分析,提出了羽流污染防护的有效措施和方法。     

20 cm离子推力器羽流对微波通信影响的试验研究

离子推力器工作时产生的等离子体羽流会对穿过其间的电磁波产生影响。为了解通信微波在羽流中的传输特性,在带有透波真空舱的专用设备上进行了羽流对微波通信影响的试验。采用的方法是将一对发射和接收双脊喇叭天线口紧贴透波舱两侧并正对放置来测试穿过羽流的通信微波的变化情况。试验结果表明:在1～5 GHz微波通信频段范围内,离子推力器所产生的羽流对电磁波的波幅和相位影响较小,幅度衰减不超过4 dB,相位偏差不超过80°。     

影响环形微阴极电弧推力器寿命的因素研究

为了研究影响环形微阴极电弧推力器寿命的因素，首先分析了可能的因素，接着通过试验研究了电流参数对阴阳极间电阻的影响，不同功率下的推力器热性能以及功率大小对绝缘体腐蚀的影响。试验结果表明，为了延长推力器的寿命，需要控制推力器较大的放电电流，使得阴阳极间电阻动态平衡，维持在0.5~10 kΩ；需要选择合适的放电功率，功率阈值应考虑各部件材料的高温承受能力；另外，绝缘体的腐蚀是制约推力器寿命的主要因素，降低放电功率有助于减缓该腐蚀。