卫星推力器可靠性评估和寿命预测

提出一种卫星推力器无失效数据可靠性分析方法,该方法能够在高置信水平下给出卫星推力器可靠度和使用寿命的置信下限。同时还建立了卫星推力器强检验和弱检验方法,前者适用于对首次采用的卫星推力器的验收,而后者适用于对已长期使用的卫星推力器的例行的批抽样检验。文中对卫星推力器寿命遵循Weibull分布和对数正态分布的情况分别进行了详细讨论。      

基于尺寸优化的霍尔推力器磁路设计方法研究

针对当前霍尔推力器磁路设计主要依靠经验进行人工调节的现状,本文建立了高效率高质量的磁路优化设计方法,解决逐次调节单个磁路尺寸效率低,无法满足日益精细化磁场需求的问题.通过调研经过飞行验证的推力器,明确磁场参数描述方式及范围,提炼出了霍尔推力器设计的磁场准则;在此基础上,采用基于有限元方法的尺寸优化,将磁场要求嵌入磁路优化的约束中;在多约束算法的自动寻优下完成磁路设计.选取具有双磁屏的典型磁路结构形式作为初始磁路,以1.35 kW级推力器进行验证,结果表明,优化后磁路质量减轻34.9%,励磁功率减小5.6%,磁倾角从最大超过20°减小到6°以内,对称性得以改善,最大磁场强度增加8.3%,磁场梯度提高6.4%.本文提出的基于尺寸优化的磁路设计方法适用于各功率级霍尔推力器,允许磁场需求参数在较宽范围内变化并支持同时调节数十个关键尺寸,优化磁路较好地满足了磁场设计需求.     

温度对磁屏蔽霍尔推力器磁场构型的影响研究

霍尔推力器磁路设计主要通过常温静态磁场仿真得到，并实测推力器非工作状态常温磁场进行复核。大功率霍尔推力器将面临更为严峻的热问题，推力器工作时磁路系统受高温影响，因此在常温下仿真得到的磁场位形会因温度升高而产生偏移，不能反映推力器真实工作时的磁场情况。为研究霍尔推力器工作时热量对磁路系统的影响，通过热磁耦合仿真对10kW磁屏蔽霍尔推力器的热态磁场分布进行研究，并对热态、常温仿真结果进行了对比，发现在阳极附近的径向磁感应强度Br的差异比放电室出口更大。常温设计的磁屏蔽构型在热态时偏离磁屏蔽，磁场和壁面最大不符合度达到13%，通过陶瓷出口型面修正后重新获得磁屏蔽效果，使最大不符合度降低到4.8%以下。合理热设计有助于降低热载荷，热仿真得到磁路系统最高温度低于500℃，低于0.78倍的居里温度Tc磁性急剧转变点，不会出现磁性能急剧下降，但热量对磁屏蔽霍尔推力器磁场构型的影响是应该考虑的。     

外加磁场对脉冲等离子体推力器性能的影响

为了研究外加磁场对PPT性能的影响,建立了PPT带外加磁场的机电模型,并用三种不同放电能量水平的PPT验证了该模型的可靠性。利用该模型研究了外加磁场强度、模式、位置以及长度对PPT性能的影响。结果表明,对于尾部馈送型PPT,当外加磁场增加时,PPT性能先增加后减小,存在最优的外加磁场强度。对于LES-6 PPT和LES-8/9 PPT,外加磁场从极板的最左端开始施加效果最好;当外加磁场强度分别为0.25T,0.50T,0.75T,1.00T时,这两种PPT对应的最适合施加磁场长度分别是1.3mm,1.8mm,2.1mm,2.3mm和1.6mm,2.8mm,3.4mm,3.7mm。对于TMU PPT,外加磁场从极板的最右端开始施加效果最好,但是施加磁场长度应该根据具体实验结果并结合仿真计算来决定。     

离子推力器放电室阳极壁面电流密度分布特性研究

为了准确掌握离子推力器放电室阳极壁面电流密度分布特性，并深入理解阳极壁面处等离子体运动特性，设计了近阳极壁面等离子体诊断的具体实施方案，并基于LIPS-200离子推力器开展了近阳极壁面处等离子体诊断试验研究，得到了主要磁极附近壁面等离子体参数，并得到阳极壁面吸收电流密度分布特性。试验结果表明：LIPS-200离子推力器阳极壁面处主要磁极附近的等离子体密度范围为，测试点的电子温度范围为，壁面电流密度范围为；柱段壁面电子温度相对锥段较低，但电流密度较大，尤其在中间极靴位置电流密度最大，约为阴极极靴处电流密度的3倍，约为屏栅极靴处电流密度的2倍，阳极电流主要在放电室中间极靴处发生损失。     

新型固体工质脉冲等离子体推力器试验研究

脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster，PPT）因其推力小、质量轻、功率低等特点，被认为是微小卫星执行某些推进任务的电推进装置之一，但因效率低下，一直为人所诟病。针对这一现状，将聚四氟乙烯（PTFE）掺入质量配比为2%、5%（6%）、10%和15%的铜和碳,制成掺铜工质（PTFE-Cu）和掺碳工质（PTFE-C）。在3种不同放电能量（1J、1.44J、2.25J）下，测量PPT使用这些工质工作时的电压、电流和脉冲烧蚀质量，并根据结果估算PPT的元冲量、比冲、效率等推进性能。此外，还基于发射光谱理论，对等离子体的种类、特性进行了诊断研究。研究结果表明，烧蚀质量随掺杂量的增加而增加；元冲量随着掺碳量的增加而增加，PTFE-Cu-10%的元冲量最大，为56.47(μN?s)；使用PTFE-C-2%和PTFE-Cu-10%时，PPT的性能最好；掺碳和铜在一定程度上促进了PPT的电离过程，进而提高了推力器效率。     

30cm离子推力器三栅极组件设计参数对寿命的影响研究

为了研究30cm离子推力器三栅极组件设计参数对预估寿命的影响,在完成失效模式分析的基础上,通过PIC-MCC方法对离子推力器三栅极组件的离子溅射速率进行了计算,建立起栅孔二维寿命预估模型,并针对栅极设计参数对预估寿命的影响进行研究。结果显示:导致三栅极组件的主要失效模式为5kW高功率模式下的离子直接轰击所造成的栅极早期结构失效,且减速栅的过快离子溅射腐蚀成为影响三栅极组件寿命的关键,而不同工作模式不会产生新的失效方式,仅影响栅极的离子溅射速率以及寿命;在现有三栅极设计参数条件下,当推力器工作时,栅极引出的离子束流处于明显欠聚焦状态,且加速栅寿命预估值约为9062h,而减速栅约为2642h;通过PIC-MCC方法得到的栅极三个关键设计参数对寿命的影响模拟结果显示,降低加速栅电压对提升减速栅寿命的作用较小;缩小加速栅与减速栅冷态间距后,离子溅射速率会随着冷态间距的缩小逐渐降低,冷态间距由1mm缩小至0.6mm后,减速栅在5kW工况下的工作寿命可提升至10726h,且经试验验证该间距可满足推力器力学环境试验要求;缩小屏栅孔径对改变离子束流引出形状具有显著作用,单孔束流发散角度随着屏栅孔径的缩小出现了明显降低,且束流离子几乎不会再直接轰击至减速栅上游区域,当屏栅孔径由1.9mm缩小至1.6mm后,减速栅工作寿命可提升至9259h;分析结果对后续开展栅极组件的寿命优化设计提供了参考。     

基于离子电推进系统的航天器有效载荷能力分析

为预估与提高航天器有效载荷能力,结合航天运输系统理论与离子推力器放电模型,对深空探测任务中以离子电推进系统为主要动力来源的航天器有效载荷能力进行了分析。通过理论推导,构建并揭示了有效载荷分数与深空探测任务参数和电推进系统性能参数的函数关系与潜在联系。结果表明:动力装置单位质量越小,航天器所能达到的最佳有效载荷分数越大;有效载荷分数的高低与离子引出份额、原初电子利用率参数的大小以及任务时间的长短呈正相关;当离子电推进系统可以达到更高的载荷比时,则需要更高的工质利用率作为支持。     

圆柱形阳极层霍尔推力器内轮辐效应的实验研究

为了研究圆柱形阳极层霍尔推力器内关于电子反常输运的轮辐效应(Rotating Spoke),分别采用高速相机和静电探针来捕捉圆柱形阳极层霍尔推力器内的轮辐效应图像和等离子体震荡频率。结果表明:在放电电压350V,放电电流3.5A,阳极上表面处的磁场强度为125Gs,工作气压为2×10-2Pa时,由测得轮辐效应的放电图像和波形可知,轮辐效应的频率为10kHz～12.5kHz。当磁场强度增加到205Gs,放电电流增加到4A时,轮辐效应的频率增加到25kHz,并且轮辐效应出现分裂和合并现象。此研究结果表明,圆柱形阳极层霍尔推力器内不仅存在轮辐效应现象以及角向电场,而且不同的工作参数会有不同的轮辐效应模式和频率。     

模块化精密角度测量系统的动态检测

介绍采用霍尔开关测量角度系统动态精度的一种方法,详细介绍了动态检测装置、霍尔开关电路及其使用,最后对检测结果进行了分析讨论。