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154～978 s。     

超声电喷推进微细驻波形成及影响因素分析

对超声电喷推进微细驻波进行了研究,试验观测了微细驻波形成形态,并在不同频率下对比分析了微细驻波波长的理论值和试验值;同时分析了不同推进剂条件下,振动频率对微细驻波波长和形成驻波所需振幅的影响规律。结果表明：不同频率下,形成微细驻波波长的理论值和试验值具有较好的一致性;微细驻波的波长和振幅随着振动频率的增大而减小,同时推进剂的粘度越大,形成微细驻波所需的振幅也越大。     

国外电喷推进技术发展与趋势

电喷推进是一种具有高比冲、高效率、快启动、高集成度的微小功率电推进技术,非常适用于微纳卫星轨道转移、位置保持任务以及引力波探测器等较大型航天器的高精度姿态控制、无拖曳控制等任务。电喷推进技术概念形成于1960年。国外电喷推进在经历了曲折的发展历程后,从20世纪90年代开始,在微制造、新材料、离子液体、高性能电源等技术大幅进步的推动下,取得了巨大进展,目前已经达到空间应用水平。美国、瑞士和英国研究电喷推进较为深入,其中又以美国投入最大、创新最显著、成果最丰富。美国麻省理工学院提出并开展了有利于实现高比冲和批产化的iEPS系列电喷推力器芯片研究,近年来主要开展推力密度和可靠性提升的研究工作。Busek公司主要发展大推力和宽调节电喷推进。密苏里科技大学提出并开展了基于含能液体推进剂的、具有化学推进模式和电喷推进模式的化电双模微推进技术研究。密歇根理工大学则提出了基于铁磁流体的流体成型发射体电喷推进技术。通过对国外电喷推进发展历程和最新进展的研究,提出了电喷推进发展趋势,并对我国电喷推进发展提出了建议。     

微型镓场发射电推力器的推力和比冲测量

电推进技术的发展推动了微推力测量技术和比冲测量技术的研究进程。为了评估已研制出的微型镓场发射电推力器的性能,进行了推力和比冲测量。研制了一种用于场发射电推力器的微推力测量平台;进行了LabVIEW开发;对测量平台进行了标定与分析,并通过试验比较了推力实测值与理论值,实测值范围为3~28μN。另外,利用飞行时间法,测得推力器在不同发射电流下的比冲数据,比冲范围为5917~8875s。     

声振和静电场耦合作用下漏电介质平面液膜的线性不稳定性

在超声电喷推力器中,声振与电场力共同作用使得液膜界面失稳破裂,进而发射液滴并产生推力.为了揭示超声电喷推力器中液膜初始失稳的物理机制,针对超声与电场力耦合作用下液膜的线性不稳定性进行了理论研究.基于Floquet理论,对声振和静电场耦合作用下漏电介质平面液膜进行了线性不稳定性分析,求解了扰动增长率、频率与波数之间的色散关系,通过绘制色散曲线,获得电学、振荡及物性参数对线性失稳的影响规律.结果表明,根据极板间距与液膜厚度之比的不同,液体电导率和介电常数对不稳定性的影响规律会发生改变.当参数不稳定区域增长率较大时,电场力的增强会促进失稳,而当参数不稳定区域增长率较小时,电场力的增强会抑制失稳.     

环境压力对胶体推力器喷雾过程的影响

对应用于卫星微推进胶体推力器的喷雾过程进行模拟研究,采用拉格朗日粒子跟踪法计算带电液滴的运动轨迹,获得抽取极板前后液滴速度和密度的空间分布．分析推力器工作环境压力对喷雾扩散角、液滴轴向速度和推力器性能的影响．模拟结果表明：随着推力器工作环境压力的降低,液滴轴向速度增大,喷雾扩散角变化较小,推力器性能提高．当工作环境压力低于一定值时,其对喷雾过程的影响可以忽略,而推力器性能基本保持不变．     

微型镓场发射电推力器的研制和点火特性

为了满足立方星等微纳航天器对推进系统的需求,研制出中国首台针式微型镓场发射电推力器。通过提高润湿温度解决了真空环境下镓难以充分润湿钨针等问题。实现了推力器的稳定点火,测试了不同润湿温度和不同几何参数下的点火特性。得到了发射电流随润湿温度提高、极间距减小和吸极内孔直径的增大而增大的关系。通过公式计算,给出了不同发射电流下的理论推力。通过电场仿真得到不同几何参数下的电场强度,揭示了几何参数影响发射电流的原因。     

一种提高空心阴极推力器推力的发射体外置方法

为提高空心阴极推力器的比冲,研究了空心阴极发射体外置的方法,对比研究了发射体外置和内置两种结构的空心阴极推力器的推力和比冲,发现发射体外置的结构相比较于内置结构能够增加推力器的推力和比冲。进一步研究发现,发射体外置的空心阴极推力器引出的离子电流、离子能量要明显高于发射体内置的空心阴极推力器,可以推断发射体外置的阴极推力器存在离子加速喷出增大推力和比冲的机制。     

无电极洛伦兹力推力器技术发展研究

近年来,为了适应深空探测、载人航天、航天器在轨服务等空间任务的需求,大推力、高比冲、长寿命、高推力密度的高功率电推进技术吸引了众多学者的持续关注.相比于其他类型的高功率电推进技术,无电极洛伦兹力推力器(ELF)在推力密度、推重比等指标上具有明显优势,且从原理上克服了电极烧蚀对高功率电推力器寿命的制约,具有广阔的应用前景...     

主带小行星采样返回任务中的离子电推进应用方案

由于离子电推进的高比冲特性,采用它执行小行星探测器巡航阶段轨道机动任务时,将使探测器在同样的有效载荷下的发射重量大大减轻。针对我国规划中的主带小行星采样返回任务,调研了国外离子电推进在深空探测任务中的应用情况,在借鉴国外成功经验和任务需求分析的基础上,设计了主带小行星探测器离子电推进系统方案和应用策略,计算了在目前离子推力器寿命水平下,既定探测任务对离子电推进推力、比冲、推进剂量以及功耗需求。研究表明,目前研制的离子推力器可以满足规划中的主带小行星探测任务需求。研究成果对探测器的方案设计有参考价值。     

全电推进卫星轨道优化的推力同伦解法

全电推进卫星的入轨过程是一个典型的多圈小推力轨道优化问题,由于其推力器加速度小,变轨圈数多,造成其最优理论解的求解较困难。为解决该问题,利用最优控制理论建立了全电推进卫星变轨优化的间接法模型,将变轨优化问题转化为协态变量初值猜测的两点边值问题。从大推力问题开始,通过遗传算法获得大范围猜测值并结合系列二次规划方法获得大推力的精确解。采用推力同伦思想,使用逐渐缩小推力的方式完成小推力问题的求解。仿真算例表明,采用推力同伦的方法,通过数十次的推力缩减即可有效解决多达上百圈变轨的静止轨道全电推进卫星入轨优化问题。     

空间电推进的推力测量方法研究现状

在空间电推进的研发和规划中,推力的精确测量具有非常重要的意义。近年来,随着电推进复杂程度和任务难度的不断增加,对其推力性能评价技术及方法提出了更高的要求。针对该需求,介绍了当前空间电推进的推力测量方法及其工作原理、技术特点和应用案例。测力方式主要有直接测量和间接测量,其中直接测量主要包括天平式、扭转式、摆式,间接测量主要包括靶式和悬臂梁式。通过对比分析各种测力方式之间的区别和优缺点,为开发者的测力系统设计提供了相应的参考。对测力过程中的系统设计、系统标定、系统响应、系统响应的测量以及计算推力五个环节中可能出现的各种关键问题分别进行了详细阐述,并提出针对性的改进方法,同时结合空间电推进领域的发展趋势及其对推力测量的需求,为未来的研究给出了针对性的建议。     

化学-电喷双模推进系统的研究现状及展望

传统的化学推进和电推进拥有不同的特点及适用范围.化学推进可以产生毫牛级至牛级推力,相比于电推进,推力大,推力范围宽;电推进比冲高达上千秒,最小可以产生微牛级推力.但两种模式单独执行任务有一定的局限性,难以完成较为复杂的航天任务.化学推进与电推进相结合的双模推进系统,同时拥有高比冲和较宽的推力范围,为航天器提供了更高的任...     

电推进卫星角动量卸载研究

电推进卫星需要在进行位置保持的同时通过将推力器的指向略微偏离质心来产生控制力矩,完成角动量卸载。针对该问题,文章在给定推力器开机位置、时长和动量轮目标卸载量的情况下,提出了正常模式和故障模式下的角动量卸载算法。通过对推力模型的简化,得出了推力器最优偏转方向的解析解,并对考虑推力器弧段损失和不考虑弧段损失的角动量卸载算法进行了比较。仿真结果表明,所提出的卸载算法能够在进行位置保持的同时完成角动量卸载,为电推进卫星的在轨控制策略提供了有效解决方案。