空间电推进的技术发展及应用

<正>近日,由中国空间技术研究院兰州空间技术物理研究所自主研制的中国首个卫星用离子电推进系统(LIPS-200)(其束流直径为200mm)地面寿命及可靠性试验累计工作时间达到6000h,开关机3000次,具备确保卫星在轨可靠运行15年的能力。另外,航天推进技术研究院上海空间推进研究所的霍尔电推进技术也取得了重大突破—80m N霍尔推力器的空心阴极长寿命试验突破18000h,这标志着我国自主研制的电推进系统达到了国际先进水平,将全面迈入工程应用阶段,能够满足我国通信卫星系列平台的发展需求。     

湿热环境对改进型钡钨发射体空心阴极放电特性的影响

电推力器用传统钡钨空心阴极具有工作温度低、发射效率高的优点,但其抗中毒能力却较差。电推力器的寿命受到空心阴极寿命的制约,为保证推力器长期在轨工作,研制了一种具备强抗中毒能力的改进型钡钨阴极,将其暴露在90%湿度、60℃的湿热环境中累计240h,试验前后触持电压的变化量小于1V,满足判据要求。随后对改进型钡钨阴极分别进行了组件级和推力器级性能测试,测试结果表明,改进型钡钨阴极的稳态工作温度为1050℃,比六硼化镧型阴极低250℃,组件级阳极电压为21V,比六硼化镧型低4~5V;推力器级阳极电压为35V,比六硼化镧型低8~10V。试验结论表明,改进型钡钨阴极具有强抗中毒能力及优异的工作性能,采用该类阴极可以有效地满足推力器的长寿命要求。     

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。     

LIPS-200离子推力器关键部组件寿命分析

基于离子推力器关键部组件前期寿命试验,结合离子推力器部组件失效模式的失效机理分析,对采用数值建模和理论分析方法开展的LIPS-200离子推力器部组件寿命理论分析进展情况进行了总结,包括栅极系统电子反流失效分析、加速栅结构失效分析和空心阴极发射体耗尽失效分析,分析得到部组件的寿命,结果显示离子推力器寿命满足设计要求.分析结果对离子推力器寿命评价和性能改进具有参考意义.     

立方体式考夫曼离子推力器极靴结构设计

考夫曼离子推力器因具有高比冲、高效率、长寿命等特点,是应用于航天器电推进类型之一。过去研究主要集中在轴对称柱状结构考夫曼离子推力器,然而对于未来模块化立方体卫星,立方体构型推力器非常适合多推力器的组合、多推力器羽流集中中和,结构紧密并且减少航天器附件。为此,基于自主设计的立方体式考夫曼离子推力器,采用三维数值仿真方法对推力器放电室进行了计算分析,获取了不同阴极极靴内径下推力器放电室磁场分布,对比研究了不同极靴构型下放电室电子密度分布和电子温度分布。结果发现,增大阴极极靴内径使得磁场分布均匀性变差,放电室内壁电子温度升高,电子损耗增大,放电室出口离子密度降低。因此,对于本立方体考夫曼离子推力器,长宽高为15mm×12.5mm×15mm的阴极极靴构型最佳,既可保持较低的壁面电子温度,又有利推力器出口的离子均匀性。     

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...     

磁屏蔽霍尔推力器技术的发展与展望

磁屏蔽霍尔推力器技术是近年来霍尔推进领域最具影响的创新突破,对于拓展霍尔推力器的应用范围,提高推力器的寿命具有重要意义。介绍了磁屏蔽霍尔推力器的原理及优缺点,从磁屏蔽的提出与验证、不同功率量级霍尔推力器的磁屏蔽技术以及磁屏蔽霍尔推力器热设计、背景压力敏感性、振荡模式转换等方面介绍了磁屏蔽的研究现状,并对未来磁屏蔽霍尔推力器技术的发展进行了展望。     

射频离子推力器研究进展

射频离子推力器由于高比冲、长寿命、高效率等优点在电推进领域中占有重要地位.为了进一步缩减推进系统的质量和体积,降低成本,一些新型射频离子推力器相继出现,其中无中和器射频离子推力器备受关注.对传统射频离子推力器的国内外研究及发展现状进行了总结,分析了射频离子推进技术中涉及的关键技术,概述了无中和器射频离子推力器的原理及研...     

面向全电推进卫星的霍尔推进技术

不同空间任务和约束条件对霍尔推力器提出了多模式工作的需求,通过对全电推进卫星对推进器的需求分析,论述霍尔推力器多模式工作涉及的关键技术.分析表明,高比冲模式下工质充分电离、推力器热负荷、羽流聚焦是技术瓶颈问题,多模式宽范围工作的阴极设计技术、多环/成组技术是霍尔推力器发展的重要研究方向,多模式霍尔推力器未来的发展需要在模式连续可调、大总冲和高比冲方向取得技术性突破.     

微阴极真空电弧点火起弧及加速机理研究综述

微阴极真空电弧推力器具有结构简单、重量轻、功耗低、比冲高等优点,因而在航天推进领域有着广阔应用前景.当前推力器设计研制、可靠性和寿命的提高等方面遇到的一些关键问题均与微阴极真空电弧放电过程的基本物理问题密切相关.对微阴极电弧推力器运行中涉及的电子发射、电极间起弧过程、阴极斑点形成及特点、烧蚀和形貌变化、电极间等离子体射...     

大功率轨道转移航天器全电推进系统研究

采用基于电推进的空间运输系统(转移级)完成使命,相对于采用化学推进可节省大量的推进剂,能够显著降低航天器的发射重量或者把更多的有效载荷送达探测目标地。调研了国外大功率电推力器的研究情况,针对近地空间的大功率轨道转移航天器任务需求,给出了电推进系统方案设计,并对采用不同性能指标推力器的多种方案进行对比,得到综合最优的方案。最后针对我国电推进技术发展现状,给出了我国大功率电推力器的关键技术和发展建议。     

小行星探测电推进系统方案研究

小行星探测以及资源开发与利用对国家抢占深空探测主动权和制高点有着不可估量的战略意义。电推进具有高比冲、长寿命和高度自主巡航等特点,小行星探测器采用电推进执行巡航阶段轨道机动任务,将大幅减少推进剂重量和提高载重比。调研了国外小行星探测的电推进系统方案,针对我国小行星探测对电推进系统的任务需求及现有电推力器的技术基础,提出了5种电推进系统方案,并进行多维度对比,对最优方案进行了设计和关键技术梳理。     

M5型微波离子推力器10000h寿命试验

微波离子电推力器具有体积小、无热阴极、启动时间快、工作寿命长等优点,非常适用于空间推进领域。为了验证上海航天控制技术研究所研制的一款百瓦级电推力器M5型微波离子推力器的寿命,进行了10000h的寿命和10000次重复启动考核实验,在实验过程中,测试推力器工作性能参数和启动性能,通过对测试数据的分析来判断推力器的工作状态。实验表明M5型微波离子推力器连续累计工作10000h后,性能指标满足设计要求,累计重复启动10000次后启动性能未出现明显下降。证明M5型微波离子推力器寿命超过10000h,重复启动次数大于10000次。     

面向深空探测的30cm离子推力器寿命预估

为评价30cm离子推力器的寿命,提出了有限寿命考核结合栅极仿真模型的推力器寿命预估方法,利用粒子-蒙特卡洛（PIC-MCC）方法建立了栅孔溅射腐蚀模型,开展了30cm离子推力器寿命预估研究,分析了栅孔刻蚀速率、单孔电场及离子引出特性,给出了30cm推力器寿命预估值。结果表明,栅孔直径仿真与实测值一致性较好,误差在20%以内,基于每个寿命小节栅孔实测值对模型的修正是有效的;根据仿真结果,10000h寿命考核后,减速栅最先失效,30cm离子推力器在最大功率（3kW）工况下预估寿命为37540h,能够满足小天体探测任务对电推进系统的长寿命需求。     

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。     

空心阴极热特性优化研究

空心阴极常用于霍尔或离子电推进系统的电子源,其热特性对自身工作寿命和能效有重要影响。为考察工作过程中阴极的温度分布和热耗散特性,对空心阴极进行数值分析。采用等离子体流场计算数据与温度场计算数据互为输入条件,进行反复迭代的方式,计算稳态下阴极内部的温度场。为验证模型与计算代码的正确性,在真空舱内开展阴极的放电试验,利用热电偶与光学温度计对阴极5个测点进行测温,并将试验结果与计算结果进行比对。结果表明,计算的最大误差在5%以内。在此基础上,考察了不同结构、材料空心阴极内部的温度分布以及热耗散情况。当阴极整体长度由小变大时,阴极整体热耗散功率会先减小后增大,而采用发射率较高的外壳材料会提高阴极整体热耗散且降低整体温度。     

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。     

微阴极电弧推力器放电寿命特性研究

微阴极电弧推力器(micro-cathode arc thruster,μCAT)在微纳卫星空间任务中有良好的应用前景,但寿命问题是目前制约其发展的重要因素.研制了自动数据采集系统,进行了不同放电频率下全寿命试验,观察分析了失效后阴极材料及导电薄膜的形貌变化.研究结果表明:推力器工作初期,放电特性为不稳定阶段,该阶段在...     

自身场磁等离子体推力器数值仿真流场特性分析

磁等离子体推力器以其推力大、比冲高等特点,成为未来深空探测、星际航行任务首选的电推力器类型,研究推力器内部等离子体流场特性,有利于解释推力器出现的物理现象。针对特定自身场磁等离子体推力器,建立磁流体模型,使用TVD Lax-Friedrich格式以及ADI方法对推力器内部及羽流进行数值求解,得到等离子体流场及等离子体参数分布情况,仿真结果显示在高电流工况下,等离子体羽流更加集中,轴向加速效果更加显著,但高电流模式下阴极温度较高,不利于阴极的使用寿命。     

微阴极电弧推力器研究进展

介绍一种适用于微纳卫星的新型微电推进方式——微阴极电弧推力器,其利用真空条件下放电电弧烧蚀阴极材料产生较高电离度的高速等离子体喷出产生推力,并利用外加磁场聚焦等离子体以减小羽流扩散角、提高比冲。总结了国外相关机构大量的研究工作,并实现了在轨验证。北京控制工程研究所及其研究团队已攻克了阴极工质均匀烧蚀、低电压放电击穿、磁场设计等关键技术,完成原理样机点火验证工作,并采用实验手段研究磁场对推力器影响;采用PIC/MCC方法开展数值仿真,获得推力器内部及羽流区相关参数分布,对其工作过程及工作机理开展研究,为工程应用奠定了基础。