铋工质阳极层推力器的研究与发展

阳极层推力器(TAL)作为一种高功率、比冲、效率的电推力器逐渐成为国内外研究机构关注的重点，其在深空探测领域具有巨大应用潜力。然而，传统的氙工质不仅价格昂贵、提纯难度大、需要高压贮存，而且不能充分发挥TAL的性能优势。固体金属铋工质具有贮存密度高、成本低、易电离等特点成为代替氙工质的理想选择。本文根据TAL的工作原理与结构特点，对铋工质的适用性进行论述。首先对该推力器的研究现状和发展趋势进行概述;其次对铋工质的性能优势进行了阐述;然后对该推力器的结构组成、工作原理及关键技术进行总结与分析;最后对该推力器的应用前景进行展望。     

50 kW级高功率霍尔推力器放电通道数值模拟研究

高功率霍尔推力器兼顾了比冲高、推力大、寿命长等特点。为了提高设计效率并考察热负荷问题，以50 kW级霍尔推力器为对象，采用单元粒子法(PIC)/蒙特卡罗碰撞模型(MCC)/直接模拟蒙特卡罗碰撞模型(DSMC)混合算法，建立二维对称计算模型。基于准电中性假设、中性原子考虑为背景气体，计算得到标准工况下(功率50 kW，流量86.4 mg/s)推力为2.2 N，比冲为2 598 s，与同类推力器实验结果对比，误差分别为5.18%和3.35%。在此基础上，考察了多种工况下(工作电压400~600 V，工质流量69.12~103.68 mg/s)放电通道内离子数密度、离子轴向运动速度、电子温度分布等参数。结果表明:增大工作电压会增强粒子间相互作用及离子加速喷出效果，流量调节影响电子温度和离子数密度分布;从推力器性能方面来看，增大工作电压，推力比冲随之增大，流量增大、推力增大，推力器的热损失功率占比达到15.94%。研究结果为高功率霍尔推力器的设计和实验提供了一定的参考依据。     

激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程实验研究

为了加深对激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程的认识，本文对有无陶瓷隔离板和不同初始电压下的激光支持的脉冲等离子体推力器进行了实验研究。利用放电伏安特性对比了放电特性参数和性能参数，然后利用结合窄带滤光镜的高速摄影技术揭示了性能差异背后的物理过程变化。结果表明，陶瓷隔离板可以有效避免放电电弧对工质的烧蚀，这可以抑制滞后烧蚀的产生，从而提高推力器的推进性能。对激光烧蚀产生的工质的电离和加速是在多次振荡放电过程中进行，而不像理想电流片模型那样只电离和加速一次。放电通道内工质的电离和加速效果最为显著的时间为放电的第2个半周期。随着初始电压的增加，单位放电能量产生的推进性能先增加后趋于平稳，然后继续增加。单位放电能量产生的推进性能在初始电压高于2050V后得到较大的提高，通过放电等离子体图像推测，这意味着附着等离子体电弧的存在对推力器性能的提高有重要影响。     

低功率霍尔推力器束流发散和推力矢量偏心特性研究

为了准确掌握不同工况下混合励磁模式低功率霍尔推力器束流发散和推力矢量偏心特性，凭借自主设计和改进的一套快速评估霍尔推力器束流发散角和推力矢量偏角原位集成诊断装置，系统研究了推力器在不同阳极质量流率、磁场、电场下束流分布和推力矢量偏心特性的变化规律。结果表明，束流发散角随阳极质量流率（0.65mg/s~0.95mg/s）和磁场强度（112Gs~142Gs）的变化呈现负相关的特性。当阳极质量流率0.95mg/s，束流发散角降到29.1°（＜30°）。推力矢量偏角随阳极质量流率和磁场强度的变化分别存在极大值（1.19°）和极小值（0.91°）。束流发散角、推力矢量偏角在250V~330V放电电压范围内基本保持不变。     

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。     

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.      

光谱01卫星脉冲等离子推力器电源处理单元的开发

针对光谱01卫星应用需求，提出了脉冲等离子推力器电源处理单元的设计方案，给出了验证结果。采用反激变换拓扑和恒功率方式实现了以2.5Hz的频率将5.76μF的储能电容器充电至1600V，将0.68μF的火花塞点火电容充电至800V；采用超快恢复高压整流管、高压绕组串联、高压整流管串联和开关频率设计解决了反激变换器整流二极管反向恢复引起的功率反向传输问题；采用输出钳位二极管和限流电阻解决了储能电容振荡负电压反向一次母线充电的问题。PPT的地面寿命试验和在轨测试结果表明，所设计的电源处理单元方案合理可行。