基于数字孪生的航天电推进器优化设计方法

针对以引力波探测为代表的空间科学任务和以“国网星座计划”为代表的商用卫星网络任务对推进器的特殊需求，本文提出了一种基于数字孪生的推进器优化设计方法。该方法首先建立由机理模型模块和测试数据集模块组成的数字孪生体。机理模型模块依据推进器的物理过程建立模型，对难以测量的数据进行仿真模拟；测试数据集模块通过实验对推进器进行测试，依靠测试数据建立可测参数的数学模型。将数字孪生体与实验进行对比，通过对比结果反馈调节机理模块从而不断提高孪生体的准确性，最终为优化设计提供依据。结果表明：(1)该方法能够构建微波离子推进器的数字孪生体；(2)该数字孪生体的预测结果存在一定差异，通过分析发现该差异与机理模型的精细度以及测试数据集的数据量有关。     

一种基于TOF×E方法的空间中能离子探测器设计与仿真

对空间中几十keV到几MeV的中能离子进行成分、能谱和角分布进行测量，具有重要的科学价值和应用意义。中国在载人登月等深空探测计划中明确提出了对中能离子的探测需求，但当前尚未掌握中能离子测量技术。本文提出了一种基于SEE TOF×E方法的中能离子探测器方案，方案包括复合材料二次电子薄膜、电极、位置灵敏MCP探测器和SSD等核心部件的设计，可同时实现对5个方向的中能离子和4个方向的中能电子的测量。结合目前空间粒子探测载荷可实现的硬件时间分辨率、能量分辨率和仿真计算结果，可以发现，该设计可以在40 keV～5 MeV能量范围实现中能离子能谱测量；并能够对40 keV～5 MeV的H离子，45 keV～5MeV的He离子，130 keV～5 MeV的O离子和240 keV～5 MeV的Fe离子进行离子成分分辨；同时可实现对20～500 keV的电子进行能谱测量。     

氙离子推力器束流双荷离子特性及诊断

为了对离子推力器束流中双荷离子比例进行快速评估，采用放电室经验理论模型通过实验参数获得放电室等离子体参数，根据单、双荷氙离子的不同产生过程，计算得到束流中双/单荷离子密度比.针对兰州空间技术物理研究所20cm氙离子推力器进行了实验，使用E×B探针束流诊断系统获取了束流中双/单荷离子的平均比率.结果表明:在额定工况下理论计算值为0.071与测试结果为0.077符合良好.      

基于E×B探针系统的霍尔推力器束流特性分析

为探究霍尔推力器羽流中各价态离子能量分布，并以此为依据评估推力器性能，根据Wien条件，设计了一种用于测量稀薄等离子体羽流场不同电荷状态离子分布的E×B探针系统。基于对探针最大输入角离子的运动分析，推导了仅与探针结构参数相关的能量分辨率关系式，并以此为依据设计了探针，使用该E×B探针系统对200 W量级霍尔推力器进行羽流离子成分诊断。分析结果表明:距离推力器出口500 mm处，在中轴线角度0~20°内，单电荷氙离子Xe⁺比例分数为90.42%~94.25%，对应的Xe²⁺比例分数为9.58%~5.75%;随着角度的增加，Xe⁺比例分数减少，Xe²⁺比例分数增加，平均电荷增加;推力器的电荷利用效率、电压利用效率分别为99.38%、86.95%。该探针系统的测量结果可为分析推力损失和优化推力器性能提供参考，并可为羽流仿真提供验证。     

汞离子微波钟技术研究进展

汞离子微波钟利用四极线型阱实现离子囚禁，通过汞光谱灯完成汞离子态的制备，易于集成和小型化；通过离子阱和汞光谱灯及其光路等关键组件优化设计，使汞光谱灯发出的抽运光与离子阱囚禁的离子充分作用，完成态的制备；40.5 GHz微波通过喇叭发射至离子阱中心，完成离子数反转；利用弱荧光信号探测系统完成汞离子超精细能级跃迁谱线的探测，实测跃迁谱线线宽约1 Hz;通过伺服控制环路完成汞离子微波钟的闭环锁定，经实验测试，频率稳定度可达■。     

氙离子推力器阳极工质分配方式优化

使用两种数值方法研究微尺度下惰性气体的流动现象,验证表明壁面速度滑移条件的N-S（Navier-Stokes）方法能够较好地模拟离子推力器气体分配环内工质流动特性.为了降低氙工质注入放电室过程中气流速度,并改善其周向均匀性,针对现有气体分配环构型提出符合4级环切场离子推力器放电特性的改进方案:增加2级供气通道,进行双侧45°角开孔并增加气孔数目.数值计算表明:结构优化后氙气进入放电室周向均匀性提高37%,气流速度降低32%；推力器装配优化方案气体分配环进行实验,大束流工况下束离子电离能耗自183W/A下降至167W/A,离子推力器放电室性能得到了提高.      

一种外日球层拾起离子探测器的设计与仿真

针对外日球层低速、低密度、低温的拾起离子(PUIs)的高分辨探测需求，以带顶盖超环面静电分析器、阻滞势分析器和线性场飞行时间系统为基础设计了一种新型高分辨拾起离子探测器。经过有限元仿真分析，探测器可实现离子(氢)的速度范围15.7～1 072.2 km/s，密度范围0.000 1～100 cm^-3，温度高于474.9 K的探测，同时可实现典型拾起离子(氢、氦、碳、氮、氧、氖)的成分分辨，质谱分辨率(M/ΔM)大于40。