面向深空探测的电磁帆推进技术研究进展

电磁帆是一类利用太阳风驱动的无工质或少工质新型推进技术,在需要推力器长时间工作的深空探测任务中具有非常广阔的应用前景。首先介绍了电磁帆的基本概念和主要分类,其次分别介绍了电帆、纯磁帆和磁等离子体帆三类推进方式的系统组成和工作原理,重点介绍了各自的研究现状,并梳理出了相关关键技术,同时介绍了等离子体磁罩技术。最后对电磁帆推进技术研究进展进行了总结,为国内开展此方面研究提供了研究方向和发展思路。     

大功率无电极高密度等离子体电磁推进概述

无电极高密度等离子体电磁推进技术已成为未来深空探测、载人航天和货运、太阳能电站以及航天器在轨服务与维护等空间任务中极具竞争力的核心推进技术之一。在梳理不同无电极等离子体电磁加速机制基础上,开展大功率无电极高密度等离子体电磁推进技术性能对比,给出新概念无电极场反构型电磁推进技术向未来超大功率拓展的优势和发展潜力,同步分析了该技术亟需解决的关键基础问题,旨在为中国新概念场反构型电磁推进技术的研发提供理论基础。     

纳米碳粉掺杂对激光烧蚀GAP的推进性能影响

实验以含能聚合物聚叠氮缩水甘油醚(Glycidyl azide polymer,GAP）作为激光烧蚀微推力器的靶材。通过对不同浓度纳米碳粉掺杂和靶材厚度下激光烧蚀GAP的比冲、冲量耦合系数和能量转化效率测量，结合靶材喷射羽流图像，分析了纳米碳粉掺杂提高激光烧蚀聚合物靶材推进性能的机理，给出纳米碳粉掺杂的适用方式。实验结果表明：透射式下，掺杂纳米碳粉之后，聚合物对激光的吸收大幅增强，但激光烧蚀推进性能不随掺杂浓度增加而显著提升；纳米碳粉吸收激光能量形成温度极高的局部热区促进聚合物中化学能的释放，是推进性能提升的主要原因；掺杂纳米碳粉之后的GAP烧蚀深度降低，表现出面吸收特性；随着靶材厚度的增加，未完全烧蚀的工质质量增加，使得靶材的利用率大大降低，导致聚合物推进性能下降。实验中掺杂3%纳米碳粉、厚度为54 μm的GAP靶材最优能量转化效率超过250%，适合作为透射式激光烧蚀微推力器的靶材。     

光敏推进剂激光烧蚀过程建模与仿真

相较于传统大卫星,微小卫星具有结构紧凑、质量轻便和成本低廉的特点。然而,受功率和质量负载的限制,微小卫星一般不装备推进系统,其航线也局限于近地轨道。为扩展微小卫星的功能,满足日益复杂的任务需求,需给其配备合适的微推进系统。固体推进系统具有结构简单、寿命长、可靠性高的优点,但无法重复启动。为得到可重复启动的固体微推进系统,设计了一种非自持燃烧的光敏推进剂,采用激光控制其燃烧。在背压为大气压的环境下,利用高速摄像机拍摄燃烧过程并记录燃速。之后,对光敏推进剂的激光烧蚀过程进行建模。分析结果表明:激光可控制光敏推进剂的燃烧,燃速与激光强度成线性关系;该光敏推进剂的最小激光点火强度为0.28 W/mm~2;燃速计算值与实测值的误差在10%以内,证明该数学模型具备工程应用价值。     

翼身融合运输机分布式电推进系统设计及油耗评估

针对翼身融合运输机开展了分布式电推进系统的总体设计与油耗评估。通过数值计算完成了70t载质量翼身融合飞机的气动设计与优化。在巡航马赫数为0.80和10km高度的设计点,最大升阻比达到了24。通过求解积分边界层方程组,完成了电推进系统的总体设计。电推进系统包含10个推进风扇,风扇直径为1.45m，压比为1.35，巡航功率为2.94MW。建立了考虑燃烧过程的发动机一维性能模型,对发动机油耗进行了评估,获得了不同发动机循环参数下燃油消耗。建模结果表明,基于翼身融合布局和分布式电推进技术,可使运输机的油耗较C-17节省近50%。      

点阵结构空气舵及内部流体热流固耦合研究

开展了钛合金TC4材料激光粉末床熔融(LPBF)工艺研究,在此基础上设计了多孔轻质空气舵模型,并基于有限差分法(FDM),采用三维流固耦合共轭传热数值计算方法,利用流体体积法(VOF)追踪流体自由液面,研究了典型的点阵夹层结构的空气舵内部冷却液动态换热过程的相互影响过程,考虑了冷却液与钛合金材料蒙皮间的耦合传热及湍流换热。结果表明,空气舵的内部流体压强随速度的增加而增加,从而导致流体出口的速度增加。当压强增加到一定程度时,流体的出口以水柱形式喷出。虽然较大的流体速度可以带走较多的热量,但是影响远小于对压强的影响。综合考虑空气舵的服役要求,获得了合适的冷却水入口速度。     

基于激光扫描技术的大型船舶舱容量计量技术研究

介绍了一种应用三维激光扫描技术，采集获取船舱三维点云数据，对点云数据进行配准、修补，完成船舱内部构件精细建模，快速高精度的重建大型船舱三维模型，实现大型船舱容量快速计算的方法。运用三维激光扫描技术完成158000吨大型油轮液货舱容量计量，通过与传统容量计量方法进行比对分析，解决了单点数据采集模式弊端，达到了大型船舶舱容量快速、精准计量效果。     

吸气式电推进系统可行条件分析

吸气式电推进系统作为有可能实现长寿命超低轨飞行的技术而被关注。根据不同轨道环境条件，采用管状结构进气道、以及机械增压的吸气方式，讨论了吸气式电推进系统所需的可行条件。分析表明，在轨高度180~240km，航天器所需总功耗与迎风面之比需要大于2kW/m2，电推力器比冲需大于4×104m/s，方可满足推阻平衡需求。分析得出，实现吸气式系统在地球轨道的运用，关键技术在于增加气体收集效率并且降低收集功耗，同时电推力器的效率还需进一步提升。     

核热推进地面试验技术研究

核热推进具有比冲高、推力大等特点,在载人深空探测和星际货运任务上具有广阔应用前景。核热推进技术的研发需要进行大量地面试验。首先回顾了美国与俄罗斯的核热推进地面试验技术的发展,对地面试验技术进行分类总结。然后基于一种小型核火箭方案,研究了燃料元件非核试验、燃料元件辐照考验试验和带核整机地面试验等关键地面试验技术,并提出了初步试验方案。最后对我国核热推进地面试验的发展提出了一些建议。     

碳纳米管阵列推力器放电特性的数值模拟研究

基于直接蒙特卡洛(DSMC)算法、浸入式有限元算法(IFE)、粒子云及蒙特卡洛碰撞(PIC-MCC)算法以及Ammosov-Delone-Krainov(ADK)隧穿电离模型建立了碳纳米管阵列推力器工质气体和CNT场电离过程的三维仿真模型。利用文献中的实验数据对本文仿真模型的有效性进行了验证,结果表明本文仿真模型与实验结果基本一致。针对碳纳米管阵列推力器的放电特性进行了研究,并重点分析了离子与原子碰撞过程对碳纳米管阵列推力器放电特性的影响。结果表明CNT可以极大地增强局部电场,稳态时场增强因子约为1308;与原子的碰撞使得离子在CNT附近更加集中,降低了局部电场,进而降低了其场增强能力。