发扬创新精神 发展离子推进

发扬创新精神发展离子推进朱毅麟（中国空间技术研究院）１电推进登上应用舞台□□电推进具有比冲高、推力小、重量轻、体积小、消耗工质少和需要一定量电功率等特点。本世纪六七十年代,电热、静电和电磁三类电推进器都陆续研制成功,并进行过多次空间飞行试验和试用。但...     

ISS外部将安装Bartolomeo商用研究平台

正ESA网站2018年3月5日报道,ESA成功建造并试验一种新型吸气式电推进器,可利用在高层大气吸入的稀薄空气作为推进剂,为实现卫星在低轨道长期飞行开辟道路。常规电推进器工作寿命受所携带的推进剂(通常为氙气)容量限制,一旦耗尽,任务也将结束。而吸气式电推进器用大气分子替代推进剂,可在其他行星大气层外缘飞行,如执行火星任务时可吸入二     

连续小推力非开普勒悬浮轨道研究综述

连续小推力非开普勒悬浮轨道在深空探测与地球极地观测任务中有着重要的应用前景。归纳了电推进、太阳帆推进等连续小推力技术的发展历程与现状；阐述了日心、行星悬浮轨道的动力学特性、稳定性、轨道保持策略；分析了三体问题下人工拉格朗日点的优势及其在深空探测方面的应用；讨论了悬浮轨道编队飞行的研究方法与控制策略。最后针对小推力悬浮轨道研究发展面临的难题，提出了研究新思路和应用新方向。     

超低轨道卫星应用离子电推进技术方案

低地球轨道大气环境对诸如科学探测和对地观测卫星的阻尼作用十分明显，而且阻尼随太阳和地磁活动以及昼夜、季节交替变化范围宽。为了保证卫星轨道精度或飞行状态满足任务要求，需要利用推进系统对卫星受到的阻尼进行实时或间歇式补偿以实现轨道或飞行状态的保持。针对轨道高度220~268km的无拖曳飞行和轨道维持应用，基于卫星轨道阻尼变化和有效载荷指标要求分析，研究确定了离子电推进技术指标、推力调节方案、系统组成、推力控制方案和在轨应用策略，并对推力调节方案进行了试验验证。结果表明，与无拖曳飞行卫星任务匹配的离子电推进指标为推力调节范围1~20mN，推力分辨率优于12μN，与对地观测卫星轨道维持任务匹配的指标为推力调节范围1～25mN，推力分辨率100μN。研究提出的针对超低轨道卫星应用需求的高精度推力连续调节离子电推进技术方案，具有工程任务针对性和参考价值。     

基于分段常值推力的水滴悬停构型控制策略

针对航天器编队飞行任务对相对运动控制的要求,研究了在分段常值推力控制下航天器受迫绕飞构型的设计与控制问题。首先,基于脉冲控制下的水滴悬停构型,提出了多段常值推力控制实现水滴悬停构型的打靶方程;将打靶方程转化为求解极值问题,采用最小二乘法来求解;分析了一段常值推力可行性。然后,以连续常值小推力控制方程为基础,推导了小邻域定理,分析了近距离相对运动条件下两段常值推力控制的可行性;针对可能出现求解精度差的问题,提出了小推力增量方程来修正精度,并证明在靠近理想解的情况下多次迭代可以趋近于理想解。最后,通过数值仿真实现常值小推力控制下的水滴悬停相对运动。数值仿真结果表明常值小推力控制策略可行,研究成果完善了航天器受迫绕飞构型设计与控制的相关理论,为工程应用提供参考。      

电推进系统的过去、现在及未来

正当前,航天器主要使用化学推进系统和电推进系统。化学推进系统是在航天器内加注化学推进剂并产生化学反应,产生推力,推动火箭飞行;电推进系统是使用电能产生推力,推动航天器飞行。相比起化学推进系统,电推进系统所需要加注的推进剂少,且不必受推进剂产生/释放化学能量大小的制约,可以有效地将电能转化为动能,具有比冲高、工作时间长的优势。在太空特有的真空失重状态下,电推进系统能够长时间工作,持续做功,帮助航天器完成位置保持和轨道机动。     

某型无人机半实物仿真系统设计与实现

针对无人机系统的研发和试验需要,设计研制了无人机半实物仿真系统。仿真系统采用传感器仿真和动力学/运动学建模,实现了对无人机系统的总体设计,验证了飞行控制软件的可靠性和控制率的正确性。     

一种基于图论的机场空域无人机流量控制方法

城市物流无人机机场需具有同时起降多架无人机的能力，针对中小型垂直起降无人机设计了一种单入口单出口、航路交叉、多停机坪的机场模型，提出了一种基于图论的飞行安全优先的流量控制方法。根据机场内无人机飞行状态，控制无人机进离场时间，规划出机场内飞行航路，保证无人机飞行安全。仿真结果表明:该流量控制方法可以确保无人机在机场空域内安全有序飞行；分别测试了面积不同的机场进场与进离场运行容量，在单个停机坪面积一定时，停机坪数量越多进场容量越大，但进离场容量反而越小；因此在设计机场时，在给定的机场面积情况下，需要合理规划停机坪数量。      

面向立方星变轨任务的机动控制策略

为了实现立方星在轨飞行与变轨,基于模块化推进器系统提出混合控制策略实现微小卫星轨道持续变化任务需求。首先,针对多单元立方星单一主推进器的结构部署,基于高斯变分方程采用连续低推进力实现轨道机动变化。为了实现对立方星主推进器的指向调整,基于姿态动力学模型利用PD连续姿态控制求得所需扭矩,实现对立方星的指向角和指向角速度调节。针对配置的微脉冲等离子推进器(μ-PPT)不连续的特点,通过搜寻μ PPT最优脉冲序列组合获得实际扭矩,满足对外部干扰的持续补偿以及立方星的姿态稳定和指向调整操作需求。此外,引入姿态误差敏感度阈值,使姿态控制器在能够提高系统鲁棒性的同时减少μ-PPT消耗。最后,通过对3U立方星在轨飞行与变轨的具体案例分析,表明所提出的基于微推进器系统的混合控制策略能够实现立方星轨道机动变化需求。     

场发射电推力器的参数选择与调控方法

场发射电推力器具有几种不同的发射模式，分别产生荷质比不同的带电液滴或带电离子，使得不同模式下推力性能差别显著。针对不同的空间应用，需要设计不同种类的场发射电推力器，使其达到相应的推力参数。为此对场发射电推力器的发射过程展开分析，确定了推力参数的调控方法。首先对场发射电推力器的基本工作原理进行了阐述，并对不同发射模式的基础物理机制进行了分析。在此基础上通过理论计算得出采用不同推进剂可达到不同发射模式这一结论，并最终得出推力器性能参数的调控方法，论证了推力性能受到推进剂种类和发射模式的影响，在离子发射模式下处于高比冲、低推力工况，而液滴发射模式下处于低比冲、高推力工况。此外推力参数还受到供给流量、外加电压等多种因素的影响。在得到推力器参数的调控方法后，设计了一种主动供给型离子液体电推力器，以离子液体EMI BF4作为推进剂，进行了相应的试验研究。通过改变外加电压，实现了对推力器推力性能的调控，证实了此调控方法的可行性。推力器达到的推力范围为1.6~10μN，比冲范围为154~978s。     

脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究

为了对脉冲等离子体电磁加速机理有清晰的认识，为后续推力器性能的优化和产品的小型化提供理论基础,需要对脉冲等离子体推力器的特性进行数值研究。利用包含电容、电感、平行板电极、等离子体的一维集成电路模型,开展了脉冲等离子体推力器的数值模拟研究。通过改变初始放电电压和电极间距的大小，系统地研究了脉冲等离子体推力器的初始放电电压、电极间距对推力器电磁加速的影响。结果表明，在其他参数不变的情况下，推力器的推力、比冲、元冲量，以及等离子体的密度、温度随推力器初始放电电压的增加而增加；同样，增加电极间距也能够提高推力器的推力、比冲；然而，电极间的阻抗会随电极间距的增加而增加，导致推力器的点火难度也随之增加，因此脉冲等离子体的电极间距存在一个最优值。     

微阴极电弧推力器磁路设计

微阴极电弧推力器是一种利用真空条件下放电电弧烧蚀阴极材料产生较高电离度的高速等离子体,并在外加磁场作用下喷出以产生推力的微型电推力器。微阴极电弧推力器磁场设计是推力器设计中的重要工作之一,将影响推力器工作稳定性和工作性能。分别采用多匝通电螺线管计算公式、二维和三维数值仿真完成磁路设计,磁感应强度随线圈电流和线圈匝数增加而变大;当线圈电流15A、线圈匝数为600匝时,放电通道中心线磁感应强度最大值超过0.3T;采用特斯拉计测量磁感应强度,仿真结果与测量结果吻合较好。最后采用时间飞行法（TOF）测得等离子体速度随磁场增强而增加。     

舌形张角型脉冲等离子体推力器极板结构参数影响仿真研究

脉冲等离子体推力器是一种具有发展前景的电推进装置,具有比冲高、质量轻等优点,可用于微小卫星的姿态控制、轨道转移等任务。以ADD SIMP–LEX推力器为例,建立数学仿真模型,并对舌形张角型极板构型进行仿真,经过仿真和实验结果对比,探究了不同极板参数对推力器的主要性能参数(元冲量、效率、比冲等)的影响,研究结果表明:增大宽度比,元冲量和效率随之增大,比冲有所降低;增大张角,元冲量和效率也随之增大,比冲略有降低,但幅度不大。     

霍尔推力器分割高偏压电极等离子体放电特性

霍尔推力器通道等离子体与壁面有很强的相互作用,为了降低壁面腐蚀,提高在轨寿命, 针对推力器全通道放电过程建立二维物理模型,采用粒子模拟方法（Particle In Cell）,数值研究了电离区壁面分割高于阳极偏压的低发射石墨电极对推力器放电特性的影响,讨论了放电通道电势、离子数密度、电子温度、电离速率及比冲的变化规律。结果表明：在电离区不同位置分割高偏压电极对等离子体放电特性影响明显,电极位置在电离区前端时,电极偏压高于阳极电压60V时通道内放电等离子体参数几乎不变。而电极位置在电离区末端,电极偏压高于阳极电压18V时就会导致加速区轴向扩张,离子聚焦效果强,电子温度显著升高,电子与壁面相互作用减弱,羽流发散角减小。由此推力器比冲提升约12%,寿命延长,性能提高。     

基于诱导航线的多无人机编队飞行控制方法

针对无人机编队飞行控制问题,提出了一种基于诱导航线的协同控制方法,僚机根据当前相对于期望位置的误差和长机的飞行状态生成诱导航线并进行跟踪;针对飞行过程中的突发障碍采用改变编队队形的方法进行规避;针对无人机之间可能出现的碰撞情况,根据无人机到达碰撞点的时间以及位置分别从高度以及航向两方面进行躲避,仿真结果表明:采用此方法无人机能够保持稳定的编队,并同时能够躲避飞行过程中的障碍以及避免飞机之间的碰撞。      

自身场磁等离子体推力器数值仿真流场特性分析

磁等离子体推力器以其推力大、比冲高等特点,成为未来深空探测、星际航行任务首选的电推力器类型,研究推力器内部等离子体流场特性,有利于解释推力器出现的物理现象。针对特定自身场磁等离子体推力器,建立磁流体模型,使用TVD Lax-Friedrich格式以及ADI方法对推力器内部及羽流进行数值求解,得到等离子体流场及等离子体参数分布情况,仿真结果显示在高电流工况下,等离子体羽流更加集中,轴向加速效果更加显著,但高电流模式下阴极温度较高,不利于阴极的使用寿命。     

上面级轨道转移段姿态控制技术

由于姿态与轨道运动的耦合,以及制导系统确定的发动机推力矢量方向不通过系统质心所引起的干扰力矩,火箭上面级轨道转移段的姿态运动会受到很大的干扰,为此,研究了利用轨控矢量发动机主动摇摆和滚转姿控发动机喷气的上面级姿态控制技术。首先,利用凯恩方程建立包括上面级本体、发动机旋转支架以及矢量发动机的系统多体动力学方程,推导了矢量发动机工作时偏心引起的干扰力矩和推力矢量控制中矢量发动机的摆角计算公式,利用矢量发动机主动摇摆和滚转姿控发动机喷气控制上面级的姿态。其次,基于变结构控制方法,设计了上面级轨道转移段的姿态控制律,使得上面级轨道转移期间姿态控制的精度达到了10^-3级别,且矢量发动机推力矢量既为制导指令方向又通过系统质心,减小了矢量发动机对上面级的干扰力矩。最后,进行了数值仿真,仿真算例结果验证了控制律的可行性。     

喷流干扰气动热数值模拟的若干影响因素

工程上对喷流气动热进行近似计算时,常常对真实的全化学反应流近似处理,这时需要了解喷流气体和喷管外形的近似方法对计算结果的影响规律。采用数值试验对比分析的方法,探讨了近似计算的2个影响因素:其一是使用量热完全的空气喷流近似燃气喷流进行数值模拟时,喷管几何形状对热流分布的影响;其二是使用空气喷流近似燃气喷流进行数值模拟的方法,分析不同的喷流热力学参数匹配方法对喷流形态及热流分布的影响。通过对不同方法进行对比计算,揭示了各个方法对喷流干扰气动热计算的影响规律,可以用于指导工程分析。      

A lunar cargo mission design strategy using variable low thrust

A design technique for a near optimal, Earth–Moon transfer trajectory using continuous variable low thrust is proposed. For the Earth–Moon transfer trajectory, analytical and numerical methods are combined to formulate the trajectory optimization problem. The basic concept of the proposed technique is to utilize analytically optimized solutions when the spacecraft is flying near a central body where the transfer trajectories are nearly circular shaped, and to use a numerical optimization method to match the spacecraft’s states to establish a final near optimal trajectory. The plasma thruster is considered as the main propulsion system which is currently being developed for crewed/cargo missions for interplanetary flight. The gravitational effects of the 3rd body and geopotential effects are included during the trajectory optimization process. With the proposed design technique, Earth–Moon transfer trajectory is successfully designed with the plasma thruster having a thrust direction sequence of “fixed-varied-fixed” and a thrust acceleration sequence of “constant-variable-constant”. As this strategy has the characteristics of a lesser computational load, little sensitivity to initial conditions, and obtaining solutions quickly, this method can be utilized in the initial scoping studies for mission design and analysis. Additionally, derived near optimal trajectory solution can be used as for initial trajectory solution for further detailed optimization problem. The demonstrated results will give various insights into future lunar cargo trajectories using plasma thrusters with continuous variable low thrust, establishing approximate costs as well as trajectory characteristics.