磁等离子体动力推力器回顾和认识

磁等离子体动力推力器因其高比冲、大推力密度及与空间核电功率匹配性好等特点,成为未来大速度增量深空任务的优选方案。回顾了磁等离子体动力推力器技术发展历史,总结了推力产生机制和推力模型,分析了推进剂选择、工作不稳定性、功率沉降、电极结构和阴极烧蚀等关键问题对推力器性能的影响,针对磁等离子体动力推力器技术和未来应用,给出了相关认识和建议。     

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。     

空间推力器用铠装热控器件技术研究发展概况（空间推进专刊）

空间推力器是调整宇航飞行器运行轨道和姿态的推进系统中的关键部件,为保证推力器启动温度和可靠运行,必须采用专门的热控设施。本文介绍了各类空间推力器的不同热控需求,重点阐述了目前空间推力器用铠装热控器件技术以及种类、性能和应用,总结了铠装热控器件的考核试验及判定指标,并提出了铠装热控器件技术的发展方向。     

中国电推进技术发展及展望

为了促进国内电推进技术的发展,简要介绍了国际上主要电推力器的种类和特点,并结合国外电推进技术的研究及在轨应用情况,介绍了中国电推进技术发展过程和应用现状,总结了国内外电推进技术的发展趋势。在此基础上,根据国内深空探测、商业航天、重力场测量、引力波探测等空间任务对推进器的高比冲、长寿命、宽调节范围、低成本、高精度等需求,提出了国内电推进技术应该将小型离子推力器、大型霍尔推力器、脉冲等离子体推力器以及无拖曳控制推力器作为重点发展方向的建议。     

各推力级霍尔推力器研究现状与展望

介绍了霍尔推力器原理的基础上,推导分析了霍尔推力器推力的影响因素,总结了改变其推力的主要方法。概述了微牛级、毫牛级和牛级等不同推力级适用的航天任务类型,按照3个级别对国内外霍尔推力器型号进行了分类,分别对3个推力级各系列型号的发展及趋势进行了梳理与分析。对各推力级霍尔推力器发展的关键技术进行了展望。针对其中的技术瓶颈与发展趋势进行了总结分析。全面、系统地针对各推力级霍尔推力器进行了综述。结果表明:毫牛级发展最为成熟的推力级,而随着航天任务类型逐渐丰富,微牛级和牛级霍尔推力器发展潜力愈发突出;研究结果提出了霍尔推进器应提升整体性能、扩展推力覆盖范围,强化多模式工作能力,发展空心阴极以及探究不同推进剂等建议。该研究结果对于霍尔电推进的进一步发展具有参考价值。      

空间推力器用铠装热控器件技术研究发展述评

空间推力器是调整航天器运行轨道和姿态的推进系统中的关键部件,为保证推力器启动温度和可靠运行,必须采用专门的热控设施。本文介绍了各类空间推力器的不同热控需求,重点阐述了目前空间推力器用铠装热控器件关键技术以及种类、性能和应用,总结了铠装热控器件的考核试验及判定指标,并提出了铠装热控器件技术的发展方向。     

700W功率HET-80霍尔推力器束流特性研究

霍尔推力器的束流特性能够体现推力器的工作状态,为了了解额定功率1350W的Hall Effect Thruster-80(HET-80)霍尔推力器在700W功率下的工作状态,研究设计了一套等离子体诊断系统,包括了法拉第探针、平面型Langmuir单探针、阻滞能量分析仪(RPA)和发射光谱,对HET-80霍尔推力器在700W功率下的束流特性进行了诊断实验。实验结果显示:700W功率工况下HET-80霍尔推力器束流发散半角为45°,整体呈现出纺锤形分布,束流中心区域的离子电流密度分布呈现出圆环型霍尔推力器典型的双峰结构;由于等离子体的复合碰撞导致离子量变少,实验中法拉第探针测量得到的积分电流随着轴向距离增加而减小;在束流区边缘发生了较多的CEX碰撞,使该区域电子温度骤升;中心区离子能量接近247e V,相较于推力器放电电压310V,评估霍尔推力器加速效率达79.6%,加速效率较好,整体束流结果表明HET-80霍尔推力器在700W功率工况下表现正常。实验中发现法拉第探针结合RPA测量出来的离子数密度较Langmuir探针测量出的离子数密度更为准确;由于霍尔推力器只有一个空心阴极,发射光谱得到的出口附近电子温度和离子原子相对浓度分布均为空间非均匀状态。     

惯性静电约束推力器放电过程数值模拟研究

为了研究惯性静电约束推力器(Inertial Electrostatic Confinement Thruster,IECT)的放电原理和工作机制,采用漂移-扩散流体模拟方法,基于圆柱形惯性静电约束推力器的结构,研究不同栅网线直径、栅网个数、推力器尺寸条件下等离子体放电情况和阴极电压、背景气压对推力器放电的影响。结果表明:在所研究条件下,保证阴极必要的几何透过率的同时,适当增加推力器栅网个数可以提高喷射离子密度,减小羽流发散角;随着阴极电压和背景气压的增大,推力器喷射的等离子体密度增大。但是,压强继续增大会达到临界值,等离子体被约束在推力器内部无法喷出,即喷射模式无法运行,故阴极电压与背景气压对IECT均有较大影响。     

30cm离子推力器空心阴极发射体区等离子体特性研究

为了获得30cm口径离子推力器20A额定发射电流空心阴极的稳态工作性能参数并验证现有发射体结构设计的合理性,采用数值模拟及有限元分析方法研究了空心阴极发射体区的等离子体特性参数。结果显示:空心阴极发射体区的压强基本在115~150Pa内,并且中间区域的Xe气压强较高;当阴极发射体温度为1570℃时,根据一维热传导方程得到发射体热损为10.26W;发射电流为15A时,电子温度在1.5~1.7e V内,且沿轴线方向靠近阴极顶小孔的电子温度较高,而将15A发射电流作为空心阴极的工作点是较为合适的选择;数值计算得到发射体区平均电子电流密度约为1.3×105A/m2,发射体内表面面积预估为1.5cm~2,内径建议在?2~2.5mm内,采用该尺寸发射体的空心阴极通过电流发射能力试验证明其最大发射电流在19~20A内,现有发射体尺寸设计满足20A发射电流需求;发射体区中间区域离子电流密度峰值约为8.5×10~5A/m~2,应重点关注发射体中间区域的厚度设计以及离子溅射腐蚀速率。     

微阴极电弧推力器工作性能影响因素研究

采用试验方法研究了微阴极电弧推力器中峰值放电电流及外加磁场对其推力、比冲、寿命的影响规律。试验结果表明:峰值放电电流增加,阴极烧蚀量增加,元冲量增大;相比于较低的峰值放电电流(10A),更高的峰值放电电流(40A)可延长推力器的工作寿命;外加磁场增强,推力器喷射等离子体轴向速度增大,比冲增加。     

Coupling plasma plume of a low-power magnetically shielded Hall thruster with a hollow cathode

The coupling region of a Hall thruster with a hollow cathode is the region between the cathode and the thruster plume. The characteristics of plasma in that region are complicated and strongly associated with the thruster working conditions and the cathode position. In this paper, a laboratory 100 W class magnetically shielded Hall thruster was coupled with a hollow cathode. Optical imaging and electrostatic probe were employed to monitor and scan the plasma plume. Plume characteristics in the coupling region in non-self-sustained mode and self-sustained mode were compared. Evolution of the coupling plume with the cathode position was studied. Experiments show that, when turning the thruster into self-sustained mode or moving the cathode further away axially, the discharge current can be reduced by 6.4–10.6% restraining the electron current and improving ionization. In particular, when the cathode is moved further, the electron conduction near the channel walls is suppressed. The electron current is reduced by 27.4% and the ion beam current is increased by 7%. Overall, this work shows that the working mode of the thruster and the position of the cathode greatly affect the coupling plasma plume. Both play an important role in improving the utilizations of propellant and current.     

Diagnostic and modelling investigation on the ion acceleration and plasma throttling effects in a dual-emitter hollow cathode micro-thruster

Hollow cathode discharges are widely used as neutralizers for the electric propulsion systems and recently developed into micro-thrusters for the small satellites. In this work, a dual-emitter hollow cathode thruster is developed, which can be operated in two different modes—the neutralizer mode and the micro-thruster mode. For characterizing this kind of new device, the Langmuir probe, Faraday probe, and retarding potential analyzer are used to determine the electron temperature, electron density, ion flux, and ion energy distribution function. The operating parameters, including the thrust, and specific impulse, are also measured. A two-dimensional self-consistent extended fluid model is employed to calculate the spatial distribution of plasma parameters and the fluid field of electrons in the region around the emitters. By comparing the diagnostic and modelling results, it is found that the change in the electric field and ionization zone is the essential reason for the different performances of the device in the neutralizer and micro-thruster modes. Variation in the electric field leads to an ion acceleration effect in the micro-thruster mode; moving of the ionization zone raises the plasma pressure in the orifice region of the hollow cathode, and thus leads to enhanced plasma throttling and gas expanding effects. By analyzing the above mechanisms, the possible methods for improving this kind of hollow cathode micro-thruster are discussed.     

多模式离子推力器流率特性实验研究

为了实现多模式离子推力器在宽功率范围内最优性能和可靠性,基于30cm多模式离子推力器通过实验开展了阴极和中和器羽状模式转变点流率、放电电压30V对应阴极流率和放电损耗曲线与束电流关系研究。30cm多模式离子推力器束电流从0.3A增加到3.3A时,阴极羽状模式转变点流率值从0.017mg/s增加到0.163mg/s,放电电压30V对应阴极流率从0.129mg/s增加到0.231mg/s,中和器羽状模式转变点流率从0.030mg/s增加到0.191mg/s。随放电室工质利用率的增加,在小束电流下放电损耗迅速增加;当束电流大于1.5A时,放电损耗对放电室工质利用率的变化较为迟钝。基于上述流率特性实验结果完成了30cm多模式离子推力器宽功率范围35个工作点下最佳流率设计。在设计的工作流率下,放电电压小于30V,阴极和中和器均工作在点状模式,实测推力为9.6mN~185.2mN、比冲为1332s~3568s、功率为258W~4761W。     

霍尔推力器能量损失系统性评价方法

霍尔推力器典型效率在50%左右,其余能量在电离、加速、耦合等过程中耗散掉,为了明确推力器优化设计的重点方向,需要定量地研究各个物理过程中损失的能量。因此,本文从能量损失分析的角度入手研究影响霍尔推力器效率的典型物理过程及机理,建立了针对霍尔推力器能量损失的系统性评价方法,为霍尔推力器设计及优化提供理论支撑。从霍尔推力器能量转化过程入手,并以能量的最终作用对象及性质作为分类的标准,建立了新的能量损失体系,认为霍尔推力器损失的能量主要有：径向羽流动能、阳极沉积热能、壁面沉积热能、电离能、阴极耦合损失。针对各项损失能量建立了实验评估方法,实验结果显示,阳极热沉积、壁面热沉积、羽流发散导致的能量损失是制约霍尔推力器效率的主导因素,其占比分别达到5.2%、24.7%、6.1%。实验测得所有输出功率占输入阳极放电功率比例达到102.1%,经不确定度分析,认为是阳极热沉积、电离能、阴极耦合损失的高估导致的,但该方法诊断得到的各项损失相对数量级关系是确定的,利用实验校核了方法的可行性,为霍尔推力器性能以及设计水平的评价提供了新的视角。     

节流孔板位置对空心阴极特性的影响研究

为满足全电推进系统的宽放电电流范围需求,开展了节流孔板内移研究。将传统结构空心阴极的一部分发射体转移到节流孔板下游,即节流孔板夹放在两段发射体之间。对比测试发现,新结构阴极的阳极电压大约降低4V,空心阴极的内压提升约50%,供气管外壁最大温差由原来的94℃下降到25℃,阳极电压振荡小于8V。进一步,利用光谱诊断系统,对阴极羽流区进行了研究。通过对羽流区等离子体固定位置进行全谱(400nm～1000nm)扫描,发现节流孔板内移之后,阴极羽流区新出现了波长为529nm和542nm的光线。利用Kura相机拍摄的羽流区二维等离子体分布图像显示,当放电电流为4A时,阴极羽流区的Xe和Xe+的密度低于传统结构空心阴极。宏观特性测试结果显示节流孔板内置式阴极可以在更宽的电流范围内维持点模式工作。可用于需要宽放电电流范围的全电推进系统以及需要低阴极供气流量、高比冲的小型电推进平台。     

真空空心阴极电弧焊接设备和工艺研究

介绍了真空空心阴极电弧焊接设备研制和焊接工艺研究情况,这是为解决钛合金容器焊接存在的飞溅问题而发明的一种先进的焊接工艺方法,在真空条件下,采用管状空心阴极,通入少量氩气,从而引燃电弧进行焊接。空心阴极焊接设备由空心阴极焊枪,真空系统,焊地电源,气体流量控制单元,总控制籍组成,文中详述了空心阴极焊枪设计,引弧试验情况及钛合金焊接工艺试验,结果表明焊接接头拉伸强度达到标准的要求,特别是与电子束焊相比,焊缝背面无焊接飞溅。     

分块阳极式激光支持的脉冲等离子体推力器实验研究

本文首先通过纳秒激光烧蚀羽流特性的研究证实了羽流分裂现象的存在,然后为了抑制羽流分裂现象可能带来的滞后烧蚀而将分块阳极构型引入激光支持的脉冲等离子体推力器中,由此首次提出了分块阳极式激光支持的脉冲等离子体推力器的概念。通过实验对比研究了分块阳极和正常阳极构型的放电特性参数、性能参数和放电电弧发展演化等特性。结果表明,分块阳极构型能获得比正常阳极构型更高的峰值电流,特别是主放电之后的峰值电流,这可以提高对因速度较慢而进入放电通道较晚的工质的电离和加速效果,从而起到抑制滞后烧蚀的目的。分块阳极构型的电流平方积分值高于正常阳极构型,这表明分块阳极构型相比于正常阳极构型能获得更好的推进性能。通过分块阳极构型第二段放电电流特性可知,分块阳极构型推力器对等离子体加速的电磁力主要来源于分块阳极的第一段。分块阳极构型能降低放电回路的总电阻,但分块阳极构型相比于正常阳极构型会增加一定的放电延迟时间。同时,通过阴阳极板之间的放电电弧发展演化过程得到了分块阳极构型提高推力器推进性能的原因,即：通过限制阳极附弧点向阳极末端运动的速度来提高极板间的电流密度,进而提高推力器的性能。     

新型空间站氢/氧变轨发动机研究

基于气动谐振点火技术的氢／氧变轨发动机是一项新型的液体火箭推进技术,尤其适用于空间站应用。通过氢氧推力室理论热力计算以及同轴氢氧谐振点火试验研究,采用了同轴氢氧谐振点火器加氧气补燃喷嘴的发动机头部结构方案。在同轴氢氧谐振点火器进行性能试验研究基础上,依次成功进行了发动机头部的谐振点火及氧气补燃试验。最后,成功完成了包括单脉冲、连续双脉冲及3．0S持续工作几种形式下的发动机地面试车试验,验证了发动机工作的可靠性及可行性。发送机起动时间达到0．2S以内。