LIPS300离子推力器加速栅电压的优化设计

在不改变推力器几何结构的前提下,为了获得LIPS300离子推力器的最佳加速栅电压,采用半经验分析和数值仿真计算相结合的方法分析了加速栅电压分别为-180V、-190V、-200V、-210V和-220V时LIPS300离子推力器栅极组件引出束流过程中束流离子从非平衡态到平衡态的演化过程,通过数值模拟计算得到了推力器运行过程中交换电荷离子轰击溅射到加速栅壁面的产额,利用寿命预测的半经验计算方法对5种情况下LIPS300离子推力器的栅极寿命进行估计,分析了关键失效模式,通过对比获得了LIPS300离子推力器的最佳加速栅电压。计算结果显示,在现有几何结构下加速栅电压的变化不会影响栅极组件的引出性能;加速栅下游更易受到交换电荷离子的轰击溅射;加速栅电压从-180V变化至-220V过程中,影响栅极寿命的关键失效模式为电子反流失效;对比5种情况下发生电子反流和结构失效时对应的栅极寿命可以发现,LIPS300离子推力器加速栅电压最佳值应为-220V,此时对应的栅极寿命为16170.4h。     

基于威布尔分布的C-T曲线通用性分析

为研究载荷谱、恒幅应力水平及裂纹尺寸对疲劳寿命预腐蚀影响系数C(T)的影响,建立了基于疲劳寿命服从威布尔分布的C(T)对比法.地面停放预腐蚀对结构疲劳寿命的影响规律可以用C-T曲线表示,当预腐蚀疲劳寿命位于长寿命段,常假定其服从威布尔分布,C(T)为预腐蚀后和未腐蚀结构特征寿命的比值.取预腐蚀疲劳寿命分布函数的形状参数为材料常数,采用极大似然方法估计特征寿命,得到其分布特性,从而建立了C(T)估计量的分布特性,构造了不同环境下的C(T)统计对比法,用于C-T曲线通用性分析. 试验数据分析表明,当取疲劳寿命服从威布尔分布时,C-T曲线与载荷谱、应力水平及裂纹尺寸基本无关.     

服从不同分布的疲劳寿命分散系数分析

民机结构的疲劳寿命服从双参数威布尔分布,其分散系数与战斗机基于对数正态分布的疲劳寿命分散系数存在明显的不同.为分析疲劳寿命服从这两种不同分布时分散系数的区别和联系,导出了疲劳寿命服从双参数威布尔分布时的理论和试验用疲劳寿命分散系数计算公式;并从理论基础和数值计算结果两个方面,对服从对数正态分布和双参数威布尔分布的疲劳寿命分散系数进行了对比,所得的结论对确定民机结构疲劳寿命分散系数提供了重要的技术依据.     

射频离子推力器研究进展

射频离子推力器由于高比冲、长寿命、高效率等优点在电推进领域中占有重要地位.为了进一步缩减推进系统的质量和体积，降低成本，一些新型射频离子推力器相继出现，其中无中和器射频离子推力器备受关注.对传统射频离子推力器的国内外研究及发展现状进行了总结，分析了射频离子推进技术中涉及的关键技术，概述了无中和器射频离子推力器的原理及研究进展，给出了射频离子推力器的发展方向和建议.     

疲劳统计学智能化中的高镇同法

在疲劳统计学中威布尔分布起着非常重要的作用，但3个参数的威布尔分布在数学形式上比较复杂。通过样本数据估计这3个参数，可通过威布尔概率坐标纸，但其使用不便，且误差较大；也可通过解析法，求解3个联立的超越方程组，但存在不自冾的问题。为此，提出了智能化解决方案——高镇同法，高镇同法充分利用了Python的特点，能够方便地同时给出威布尔分布的3个参数，为威布尔分布的理论研究、实际应用和疲劳统计学的智能化奠定了坚实的基础。      

某发动机涡轮叶片使用寿命可靠性分析

发动机的载荷谱是发动机结构寿命研究的依据.利用某短寿命发动机的开车数据,对其高压涡轮叶片使用寿命进行了预测.建立了发动机等效寿命消耗计算模型,采用数据压缩处理技术,有效地提取了发动机的工作载荷.根据发动机短使用寿命这一特点,用威布尔分布模型描述此发动机涡轮叶片寿命分布,建立了发动机寿命可靠性模型,采用不完全寿命数据的中位秩法对发动机叶片寿命进行可靠性计算.随着可靠性增长,发动机寿命不断提高,考虑样本的时效性,用动态的威布尔分布模型来描述此发动机可靠性的增长,以便发动机在研制过程中的可靠性评估.      

立方体式考夫曼离子推力器极靴结构设计

考夫曼离子推力器因具有高比冲、高效率、长寿命等特点,是应用于航天器电推进类型之一。过去研究主要集中在轴对称柱状结构考夫曼离子推力器,然而对于未来模块化立方体卫星,立方体构型推力器非常适合多推力器的组合、多推力器羽流集中中和,结构紧密并且减少航天器附件。为此,基于自主设计的立方体式考夫曼离子推力器,采用三维数值仿真方法对推力器放电室进行了计算分析,获取了不同阴极极靴内径下推力器放电室磁场分布,对比研究了不同极靴构型下放电室电子密度分布和电子温度分布。结果发现,增大阴极极靴内径使得磁场分布均匀性变差,放电室内壁电子温度升高,电子损耗增大,放电室出口离子密度降低。因此,对于本立方体考夫曼离子推力器,长宽高为15mm×12.5mm×15mm的阴极极靴构型最佳,既可保持较低的壁面电子温度,又有利推力器出口的离子均匀性。     

空间电推进的技术发展及应用

<正>近日,由中国空间技术研究院兰州空间技术物理研究所自主研制的中国首个卫星用离子电推进系统(LIPS-200)(其束流直径为200mm)地面寿命及可靠性试验累计工作时间达到6000h,开关机3000次,具备确保卫星在轨可靠运行15年的能力。另外,航天推进技术研究院上海空间推进研究所的霍尔电推进技术也取得了重大突破—80m N霍尔推力器的空心阴极长寿命试验突破18000h,这标志着我国自主研制的电推进系统达到了国际先进水平,将全面迈入工程应用阶段,能够满足我国通信卫星系列平台的发展需求。     

芯片互联结构断裂失效的试验研究与统计分析

针对电子芯片互联结构失效机理复杂、寿命数据难以获取且缺乏具有理论依据支撑的寿命分布模型等问题,开展了基于退化试验数据的统计分析研究,并提出了2种统计建模方法。首先,搭建了电子芯片可靠性评估试验台,利用菊花链测试芯片为试验对象获取了互联结构的退化数据和寿命数据;其次,基于断裂力学理论,分析了互联结构断裂失效的失效机理,给出了BGA封装形式的电子芯片互联结构寿命分布服从两参数威布尔分布的理论依据,由此建立了基于寿命数据的电子芯片互联结构寿命分布模型;再次,利用退化量的分布建立了基于退化量数据的电子芯片互联结构寿命分布模型;最后,对2种统计建模方法进行比较分析。结果表明,基于退化量数据的寿命分布模型与基于寿命数据的寿命分布模型吻合度良好,2种分析方法在结果上具有一致性。      

小样本下指数分布代替威布尔分布的研究

针对非电产品可靠性评估中选择故障分布模型的问题，提出了研究小样本下用指数分布替威布尔分布的可行性和可信性。建立了有关评价准则和指标，并用蒙特卡洛仿真得出了统计结果。给出了一个工程应用实例。     

地球静止轨道LIPS-300离子电推力器热设计与优化

LIPS-300离子电推力器工作时产生的大量热耗会严重影响其工作性能,因此推力器的热控设计和在轨温度预计是推力器设计的关键技术之一。文章首先提出了地球静止轨道LIPS-300离子电推力器热设计,建立了离子电推力器热分析有限元模型。然后,针对典型的地球静止轨道位保工况开展了LIPS-300离子电推力器的在轨热分析,得到了LIPS-300离子电推力器重点部件在轨工作时的温度预计：下极靴、阳极筒、屏栅、下磁钢为主要的高温位置,且下磁钢温度可能超出材料温度上限。最后,基于热分析的结果结合离子电推力器的特点提出适当增加外壳散热面积是离子电推力器优化设计的有效方向,而增强阳极筒、极靴与屏栅筒间的内部换热是无效的设计优化方向。     

背景压强对电推进羽流场影响的数值模拟

真空舱内背景压强是电推力器地面试验过程中影响工作性能评估和羽流场参数诊断的重要参数。针对LIPS-200型离子推力器羽流场参数的数值仿真中采用的背景压强建立方法进行了仿真分析。仿真中采用混合粒子网格(PIC)方法和直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法处理羽流场中等离子体运动和粒子间碰撞,分别采用虚拟粒子和计算粒子建立压强的方式,对电推进羽流场进行了数值模拟,并与绝对真空环境进行对比分析。结果表明:背景压强的存在导致中性粒子和电荷交换离子数密度较绝对真空环境高1个量级以上。虚拟粒子可大幅提高计算效率,获得的流场中电荷交换离子分布与计算粒子结果相近,但中性粒子分布相差较大,虚拟粒子无法表征壁面及真空泵的影响。      

离子推力器羽流热效应仿真分析

离子推力器工作时向外喷出的羽流与航天器表面碰撞,会引起敏感材料热变形等热效应,严重时会导致航天任务失败。针对兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200型离子推力器羽流热效应进行了仿真分析。仿真中,使用粒子网格（PIC）方法处理等离子体运动,使用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法处理粒子间碰撞,使用Maxwell模型处理粒子与壁面的能量交换,对电推进羽流热效应测量中的部分测点进行了数值模拟。结果表明,仿真结果与实验数据符合较好,离子推力器出口轴线上滞止热流仿真值与实验测量值误差小于17.0%。此外,热流计对流场的影响主要集中在热流计附近0.1 m范围内,对整体流场影响较小。      

M5型微波离子推力器10000h寿命试验

微波离子电推力器具有体积小、无热阴极、启动时间快、工作寿命长等优点,非常适用于空间推进领域。为了验证上海航天控制技术研究所研制的一款百瓦级电推力器M5型微波离子推力器的寿命,进行了10000h的寿命和10000次重复启动考核实验,在实验过程中,测试推力器工作性能参数和启动性能,通过对测试数据的分析来判断推力器的工作状态。实验表明M5型微波离子推力器连续累计工作10000h后,性能指标满足设计要求,累计重复启动10000次后启动性能未出现明显下降。证明M5型微波离子推力器寿命超过10000h,重复启动次数大于10000次。     

基于PIC方法的离子发动机光学系统粒子模拟

采用单元内粒子(PIC, Particle-In-Cell)方法对离子发动机光学系统进行了等离子体粒子模拟.PIC方法可有效地对等离子体进行粒子模拟,其中电场求解采用SOR(Successive Over Relaxation)方法,离子加速方法采用蛙跳格式.推进剂采用氙,模拟粒子为单核离子.模拟得到了栅极间电势分布、电场强度分布及栅极间氙离子数密度分布.计算结果表明,在所取的光学系统电压参数和几何参数下,粒子束能够顺利通过栅极孔,不会撞击到栅极孔壁上.粒子模拟为今后开展离子发动机光学系统腐蚀机理分析及寿命评估提供了有效的数值方法.      

面向深空探测的30cm离子推力器寿命预估

为评价30cm离子推力器的寿命,提出了有限寿命考核结合栅极仿真模型的推力器寿命预估方法,利用粒子-蒙特卡洛（PIC-MCC）方法建立了栅孔溅射腐蚀模型,开展了30cm离子推力器寿命预估研究,分析了栅孔刻蚀速率、单孔电场及离子引出特性,给出了30cm推力器寿命预估值。结果表明,栅孔直径仿真与实测值一致性较好,误差在20%以内,基于每个寿命小节栅孔实测值对模型的修正是有效的;根据仿真结果,10000h寿命考核后,减速栅最先失效,30cm离子推力器在最大功率（3kW）工况下预估寿命为37540h,能够满足小天体探测任务对电推进系统的长寿命需求。     

基于Weibull分布的疲劳加速腐蚀因子分析

考虑预腐蚀对飞机结构疲劳寿命的影响,建立了疲劳寿命服从Weibull分布的 加速腐蚀因子确定方法.假设预腐蚀疲劳寿命服从Weibull分布,特征寿命随时间呈指数规 律变化,推导得到了以疲劳寿命为腐蚀量的加速腐蚀因子表达式,以及在工程常用的时间范 围内加速腐蚀因子与腐蚀时间无关的结论;进行了相关参数估计,建立了加速腐蚀 因子的估计方法,得到了加速腐蚀因子估计量的近似分布,对其进行了统计分析.      

离子发动机羽流二维轴对称数值模型与验证

为了解离子发动机羽流特别是交换电荷离子(CEX,Charge-Exchange)的分布和流动特性,建立了离子发动机羽流的物理模型,采用粒子网格(PCI,Particle in Cell)方法对2种型号的离子发动机羽流场进行数值模拟计算,与其地面实验数据进行对比分析.结果表明:在CEX离子密度大小及分布、电势的大小及最大电势梯度的位置、CEX离子流动角方面,模拟结果同实验结果符合得相当好.在电势结构方面,由于舱壁电势的影响,模拟结果同实验结果相比有一些差别.羽流模型和计算结果为相关羽流实验和数值模拟研究提供参考.