激光烧蚀微推力器研究进展

激光烧蚀微推力器以其具有的许多显著优势成为最具应用前景的微推力器备选方案之一。其原理是通过星载固体或半导体激光器,烧蚀靶材产生微小推力,其主要特点包括比冲高、冲量动态范围宽、最小冲量比特小、功耗低、能量耦合效率高,以及易于实现轻量化和数字化控制。在回顾相关文献的基础上,从激光烧蚀机理、微推力器结构设计、烧蚀推进性能、烧蚀靶材和靶结构等方面对激光烧蚀微推力器的研究进展和技术水平进行了系统的总结和评述,并指出激光烧蚀微推力器研究所涉及的关键问题包括：激光烧蚀的理论描述、星载激光器、微推力器的性能参数体系、性能参数测量以及微推力器的一体化设计等方面。     

激光支持的空间微推进技术研究进展

对激光等离子体微推力器的相关研究进展进行了较为全面的介绍,总结了激光器与其它相关技术结合发展起来的极具潜力的空间微推进技术的研究进展,并指出激光支持的空间微推进技术研究所涉及的关键问题,包括星载激光器技术、先进的测试技术、高性能工质的选择与研制、激光光路设计以及空间微推力器一体化设计等方面。     

基于固体工质的空间微推进技术研究进展

采用固体工质的微推力器具备结构简单、可靠性高、成本低的优点，是最适合微纳卫星的动力装置之一。固体微推进技术可分为微电推进和微化学推进两大类。本文介绍了五种典型固体微推力器的工作原理，包括微脉冲等离子体推力器、真空弧推力器、电控固体微推力器、激光微推力器、固体阵列微推力器，系统梳理了它们的发展历程，总结了其最新的研究进展和应用现状。在此基础上，对固体微推进技术的发展方向进行了展望，以期为微纳卫星动力系统的研发与优选提供参考。     

电弧喷射推力器化学非平衡数值模拟

为了准确把握电弧喷射推力器工作过程物理机理与特征,采用化学非平衡模型对不同压缩室直径下低功率氮电弧喷射推力器工作情况进行了数值模拟。模型考虑了工作过程中的分解反应、电离反应和复合反应,化学动力学模型为4组分,4反应的有限速率化学反应模型。采用二阶精度NND格式数值求解耦合电磁源项和化学反应源项的N S方程组,采用有限控制容积积分方法求解由麦克斯韦方程组推导出的电磁场方程。数值模拟的结果揭示了推力器内部电弧能量输入作用和高温电离气体的离解电离状况,给出了不同压缩室直径下推力器的推力、比冲和推进效率。结果分析表明,压缩室直径对推力器性能具有较大影响。     

烧蚀模式激光推进的实验研究

采用CO2激光器和固体推进剂对三种构形的抛物型激光推力器模型进行了烧蚀模式下的单脉冲、多脉冲连续推进的对比实验,单脉冲实验获得的最高冲量耦合系数达到2.7×10-4N/W,对多脉冲连续推进时的冲量耦合系数有较大幅度的下降进行了分析,尝试采用PVDF薄膜传感器,测量了推力器内壁的瞬态压强,并采用热像仪对推力器的外壁温升进行了连续记录,为进一步研究激光能量转化为推力的机理以及热力冲击的影响提供了直接的数据。     

来流对吸气式激光推力器冲量耦合系数的影响

针对大气吸气模式激光推进的原理,采用二阶精度的Roe格式,在气体模型为完全气体时,分别对无来流以及来流马赫数为2.5和5的条件下,环聚焦激光推力器内外流场的演化过程进行了数值模拟。结果表明,无来流、来流马赫数为2.5和5时的冲量耦合系数分别为2.42×10-4N.s/J,1.00×10-4N.s/J和1.13×10-4N.s/J,无来流时激光推力器的冲量耦合系数高于同工况下有来流的情况,但来流马赫数为5时由于激波不会传播到推力器前体而产生负推力,因此冲量耦合系数较马赫数为2.5时高。研究结果可为激光推力器的构形设计以及实验模拟高空环境下推力器的飞行情况提供一定的理论指导。     

吸气式激光推力器概念设计

以发射10kg级微小卫星为航天任务背景,基于地面推力1000N的设计指标,分析了吸气式激光推进的主要性能参数,依据所建立的激光推进能量相似律理论和数值计算研究结果,对激光参数、聚焦系统和喷管子系统进行设计,完成了封闭的吸气式激光推力器概念设计循环。所提出的二次反射聚焦系统与抛物形喷管组合的吸气式激光推力器概念模型经数值计算程序验证,可以获得地面500N/MW的冲量耦合系数。所提出的设计理论和方法对激光推力器概念设计有一定的参考价值,是研制激光推力器模型的重要基础。     

激光推力器材料耐热性能的数值分析

推力器是激光推进的重要部件,推力器材料的选择需要充分考虑其承受强激光辐射后的耐热性能,避免被熔化破坏。基于激光辐照一维加热熔化模型,提出了高精度和快速的温度场计算方法,研究了强激光辐照推力器材料时的熔化时间,材料表面及内部温度场分布,进一步提出了材料优选的原则:低激光吸收率、高热传导率。以部分典型材料为实例,对耐热性能进行了对比分析,并给出了较好的推力器材料。     

环境压强对电弧喷射推力器性能的影响

为了详细研究环境压强对电弧喷射推力器性能的影响,对低功率氮氢电弧喷射推力器在不同环境压强下的工作性能进行了比较计算。采用二阶精度无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式)和经典龙格库塔方法求解耦合电磁源项的N-S方程组,采用高斯-塞德尔超松弛迭代方法数值求解电磁场方程。计算结果给出了不同环境压强下推力器的推力、比冲、推进效率和出口平面冲量密度分布。结果分析定量地阐释了环境压强对推力器性能的影响,能为推力器的实验研究及空间应用提供参考。      

激光微推进的靶特性研究进展

2003年,首款激光等离子体微推力器(micro-Laser Plasma Thruster,μLPT)应用于美国空军微小卫星姿态轨道控制,激光微推进技术越来越受到业内人士的广泛关注。总结了激光微推进的五种工作模式,并进行了简要分析,重点关注了激光微推进技术发展过程中的靶特性研究现状,介绍了靶材物态和靶材结构两个方面的推进性能研究进展,并对其进行了分析,对激光微推进技术的进一步发展形成了一些认识和建议。     

多级会切磁场等离子体推力器研究进展

多级会切磁场等离子体推力器是一种电推进装置。在对此类推力器的基本概念、性能优势进行总结的基础上,系统性地回顾了国内外各研究机构不同功率级推力器的发展历程,并介绍了推力器离子加速及电子传导相关物理机制的研究过程。历经21年的发展,多级会切磁场等离子体推力器表现出显著的性能优势,在未来航天推进领域表现出了巨大的发展潜力。德国泰雷兹形成了以HEMP3050推力器为代表的工程化应用产品。我国微观物理机制的研究提升了推力器的认知水平,不同功率级推力器的研究均取得突破性进展,为推力器未来的快速发展奠定了基础。     

基于应变片的双脉冲推力测量初步实现

为了获得激光推力器在多脉冲激光作用下产生推力的变化情况,建立了一套基于半导体应变片技术的双脉冲推力测试系统,介绍了系统标定及测试原理。在单脉冲能量80 J,重复频率10 Hz的条件下进行了实验,实验结果表明:该测试系统响应速度快、精度高,实验结果可信;同时发现,在双脉冲激光作用下,推力器产生的脉冲推力大小和推力的持续时间均会减小,冲量耦合系数也有所降低,与文献报道实验测量结果基本一致,对激光发动机的理论和数值研究具有一定的参考价值。     

MEMS冷气推力器的制作和热性能研究

为了研究MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)冷气推力器的热性能,介绍了一种MEMS冷气推力器的设计和制作,该推力器体积小(40mm×20mm×1mm),重量轻(1g),功耗低。对推力器加热丝不同电压和环境下进行了热仿真,对组装到电路板上的推力器模块进行了热测试。结果表明:常温常压下,8V的驱动电压,经过230s后,推力器加热丝的温度可达到80℃以上,与仿真结果趋势相同,可预见真空中,8V电压下可满足推进剂对加热腔温度的需求。     

大功率等离子体电推进研究进展

大功率等离子体电推进具有推力大、比冲高、效率高、尺寸小等优势,是载人深空探测任务最具竞争力的推进技术之一。针对稳态等离子体推力器、阳极层推力器、磁等离子体动力推力器、可变比冲磁等离子体推力器和螺旋波推力器等,对等离子体电推进的国内外研究进展进行了论述。从大功率等离子体推力器、超大容量推进剂贮存与供应、大功率高电压电能变换与供应、大功率等离子体推力器试验验证等角度分析了大功率等离子体电推进的关键技术,对我国大功率磁等离子体电推进的发展提出了梳理需求、制定技术路线、提升成熟度和进行集成演示等建议。     

一种绿色无毒单组元微推力器性能试验研究

为了获得研制的一种基于绿色无毒ADN基推进剂的单组元0.2N微推力器性能,对其进行了试验研究。通过真空加热试验,获得微推力器的温启动加热性能;通过高空模拟热试车试验,获得微推力器稳态和脉冲工况下,微推力器的推力、温度分布等参数,考察微推力器的启动性能、稳态、脉冲工作稳定性,研究微推力器工作过程中推力室、前室和电磁阀温度变化规律,通过1000s长稳态点火试验,验证了微推力器长稳态工作的稳定性。结果表明,3W加热功率实现了微推力器200℃的温启动要求,微推力器完成了系列稳态、脉冲考核程序,工作过程中微推力器推力稳定,启动响应快,推力室温度最高达到1016℃。试验证明了研制的0.2N微推力器在完成结构微型化的同时,实现了微流量下推力器稳定工作,微推力器额定真空比冲大于200s,性能优良,200mN推力量级微推力器的成功研制,将进一步拓展ADN绿色无毒推进在微推进领域的应用。     

N_2O单组元微推力器真空试验设计与分析

提出了N2O单组元微推力器冲量测量方案.通过多次试验结果拟合稳态推力与压力之间的关系,再采用动态压力计算动态推力和冲量.对催化床尺寸为8mm×35mm和10mm×25mm两个微推力器进行了高空模拟试验研究,考察了流量对微推力器比冲的影响,得到了不同流量条件下稳态推力和压力之间的关系.试验方案与分析结果为微推力器精确...     

微阴极电弧推力器的设计与试验

微阴极电弧推力器具有体积小、重量轻、功耗低、比冲高等优点,是微纳卫星空间推进的理想选择。为了研究其关键特性以及基本性能,设计了一套环形微阴极电弧推力器样机,包括推力器本体和功率处理单元。高速摄影对推力器点火的观测验证了磁场存在时阴极斑点的旋转,并获得了阴极斑点旋转速度与磁场强度的关系。通过飞行时间法、打靶法分别对离子速度、元冲量进行了测量,测量结果表明:推力器出口离子的轴向平均速度在15~30km/s,没有磁场时,元冲量为0.132μN·s,磁场强度为0.0457T时,达到0.262μN·s,推力器平均推力大小在μN量级。通过研究得到:微阴极电弧推力器烧蚀均匀,性能易于调节,适用于微纳卫星。     

基于扭摆台架的动态推力测试方法研究

微纳卫星微推力器的性能测试,要求在诊断稳态推力和冲量的同时测量动态推力,为此开展动态推力测试方法研究。根据扭摆式台架的二阶质量-弹簧-阻尼系统模型及特点,提出通过静、动态砝码标定,进行扭摆台架的转动惯量、阻尼常数和弹簧系数等参数辨识。利用干涉式激光位移计实现对微小位移的高精度和高频响测量,系统的测量精度约为10nm,测试带宽500k Hz。建立了探测器的记录光强与微位移间的数学模型,获取台架微位移,通过对微位移进行一次、二次求导获得台架的速度和加速度信息,根据台架运动方程,实现动态推力测量。误差分析表明,稳态推力测试的最大绝对误差小于0.5mN,动态推力测试的最大误差约为0.58mN。利用落压式工作的微型冷气推力器开展验证试验,结果表明该测试方法能够实现动态推力测量要求,响应频率为50Hz。     

掺杂吸收剂对激光烧蚀GAP推进性能的影响

对激光烧蚀微推力器而言,聚合物靶材的激光烧蚀推进性能至关重要。为了研究掺杂剂对靶材推进性能的影响,寻找优化靶材性能的方法,以含能聚合物聚叠氮缩水甘油醚(GAP)作为烧蚀靶材,以纳米碳粉和红外染料作为掺杂剂,采用高精度扭摆、能量计和高倍显微镜测量的方法,以冲量耦合系数、比冲和能量转化效率参数作为量化指标,改变聚合物的掺杂浓度、靶材厚度以及激光入射方式,对掺杂不同吸收剂后的GAP的推进性能进行了研究。结果表明:纳米碳粉以局部热区的形式加速聚合物的气化分解,推进性能受掺杂浓度的影响较小;掺杂纳米碳粉的GAP表现为面吸收特性,随着靶材厚度增加,喷射产物的气化程度降低,聚合物推进性能下降;较薄的掺杂纳米碳粉的GAP的等离子体阈值低,表现出高比冲和高能量转化效率,其中能量转化效率最优值接近300%,适合作为透射式激光烧蚀微推力器的烧蚀靶材。红外染料对1064nm波长的激光具有较好的吸收性能,掺杂红外染料使GAP对激光能量的吸收增强,化学能释放更充分;聚合物的推进性能对红外染料的掺杂浓度十分敏感,在掺杂浓度为5%时性能表现优秀;不同浓度红外染料掺杂下GAP的烧蚀深度不同,当靶材的厚度与烧蚀深度相近时,GAP的推进性能表现最好。     

离子液体电喷微推力器系统设计及性能初步研究

为了研究发射电压和流量对离子液体电喷微推力器性能的影响,设计了一种主动供给型离子液体电喷微推力器,建立了推进剂供给系统、真空系统和飞行时间测试系统,首先对推进剂供给系统进行了流量标定,使用飞行时间法在不同流量和不同发射电压条件下对推力器进行测试,根据飞行时间曲线得出推力器的基本性能。试验证明推力器能够在真空环境中实现正负模式交替发射,得到了推进剂供应系统的流量变化范围和推力器性能随发射电压和流量的变化规律。结果表明该系统推进剂流量供应为100nL/s～500nL/s。发射电流均随发射电压和流量增加而增加,发射电流受发射电压的影响更加显著。推力器推力受发射电压影响较大而比冲受流量影响较大。在实验条件下推力器的推力为112μN～183μN,比冲为250s～315s,效率为77%～90%,表明推力器处于胶体发射模式。