离子液体推力器性能影响因素仿真研究

文章主要研究离子液体推力器发射阵列几何结构参数对推力器性能的影响。建立单个发射极粒子网格法仿真模型,模拟获得了单个发射极束流分布及推力、比冲等性能参数曲线;通过改变电极间距及引出极孔径获得了单个发射极平均推力和角向效率的变化曲线,分析了电极间距及引出极孔径对推力器性能的影响。研究表明:在离子被引出极拦截前,推力器角向效率与电极间距成正比,与引出极孔径成反比;在不考虑发射离子数量和比例改变情况下,推力器推力随电极间距的增加先增大后减小,一定范围内随引出极孔径的减小而增大,但过小的引出极孔径会造成严重的推力损失与栅极侵蚀。以上研究结果可为离子液体推力器的优化设计提供参考。     

一种用于临近空间飞行器的吸气式电推进技术

针对低速临近空间飞行器提出了一种新型吸气式电推进方案,该方案采用单介质阻挡放电（SDBD）作为等离子体源,因此能在较大气压范围（数Pa~1atm）内电离大气产生等离子体并产生推力。为探究该吸气式电推进方案的推力性能,测量了实验样机在多个气压和电压条件下产生的推力。推力测量结果显示在10~90kPa气压范围内,实验样机产生的推力在10 2~10 3μN量级;气压一定时,产生的推力与驱动电压呈幂次相关;而电压一定时,随着气压自1atm逐渐降低,产生的推力先增大后减小,且达到最大推力的气压与所加驱动电压相关。     

霍尔电推进技术的发展与应用

霍尔电推进具有推力密度大、推力功率比大、比冲高及系统可靠等优点,在20世纪60~70年代突破关键技术、完成空间试验后,在俄、美、欧等航天器上获得大量应用,执行位置保持、轨道转移、轨道调整和深空探测主推进等任务。目前,100 W级到5 k W级功率的霍尔推力器已经实现在轨应用,100 k W功率的霍尔推力器已在研制中。针对未来载人深空探测、GEO卫星、低轨和超低轨卫星及轨道机动飞行器等任务需求,霍尔电推进朝着更大功率包络,更强多模式调节能力,更高性能,更长寿命及推进剂多样化等方向发展。在分析霍尔电推进技术特点和适用任务后,对国内外霍尔电推进技术的发展现状、任务应用等进行了综述,最后对霍尔电推进的发展趋势进行了展望。     

Field emission performance of multiwalled carbon nanotubes for a low-power spacecraft neutraliser

Field electron emission from aligned multiwalled carbon nanotubes has been assessed to determine if the performance, defined by power consumption, lifetime and emission current, is suitable for use in spacecraft charge neutralisation for field emission electric propulsion (FEEP). Carbon nanotubes grown by chemical vapour deposition (CVD) were mounted on a dual in line chip with a macroscopic (nickel mesh) extractor electrode mounted ～1 mm above the tubes. The nanotubes’ field emission characteristics (emission currents, electron losses and operating voltage) were measured at ～10^?4 Pa. An endurance test of one sample, running at a software-controlled constant emission current lasted >1400 h, approaching the longest known FEEP thruster lifetime. The emission corresponds to a current density of ～10 mA/cm² at a voltage of 150 V. These results, implementing mature extractor-electrode geometry, indicate that carbon nanotubes have considerable potential for development as robust, low-power, long-lived electron emitters for use in space.     

氨电弧喷射推力器实验和数值研究

为了证实氨电弧喷射推力器良好的工作性能，对其进行了系统的实验和数值研究。在实验研究中建立了高真空实验系统、先进的小推力测量系统和恒定电流控制系统，在数值研究中采用二阶精度无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式)数值求解耦合电磁源项的扩展N-S方程组。通过实验获得了不同结构尺寸的推力器不同工作条件下的工作性能，通过数值模拟给出了推力器的流场结构，预计了其推力、比冲和推进效率。研究结果表明，氨电弧喷射推力器工作性能良好，能够担负一定的空间应用任务。     

Optimal interplanetary rendezvous combining electric sail and high thrust propulsion system

The aim of this paper is to study, from a mission analysis point of view, the performance of a hybrid propulsion concept for a two-dimensional transfer towards a planet of the Solar System. The propulsion system is obtained by combining a chemical thruster, used for the phases of Earth escape and/or target planet capture, with an electric sail, which provides a continuous thrust during the heliocentric transfer. Two possible mission scenarios are investigated: in the first case the sailcraft reaches the target planet with zero hyperbolic excess velocity, thus performing a classical rendezvous mission in a heliocentric framework. In the second mission scenario, a given final hyperbolic excess velocity relative to the planet is tolerated in order to decrease the mission flight time. The amount of final hyperbolic excess velocity is used as a simulation parameter for a tradeoff study in which the minimum flight time is related to the total velocity variation required by the chemical thruster to accomplish the mission, that is, for Earth escape and planetary capture.     

多任务模式电推进技术

调研了多任务模式电推进技术在地球静止轨道卫星和深空探测器中的应用情况,电推进技术的应用由南北位置保持任务模式逐步向南北位置保持和轨道转移等多任务模式发展;总结了多任务模式电推进技术在功率需求、比冲、推力等方面的技术特点;从卫星平台技术、推力器技术、可变功率电源转换及控制技术、可变流量调节技术,以及多自由度、大角度矢量调节技术等方面,分析了多任务模式电推进在工程应用中要解决的关键技术。     

圆柱形Hall推力器磁场的设计与数值模拟

霍尔(Hall)推力器的磁场设计是提高其性能的关键技术之一。针对传统环形Hall推力器小型化带来的缺点,提出了圆柱形的Hall推力器。简要对比了环形和圆柱形两种推力器,对圆柱形推力器的工作原理、磁场设计的要求以及利用ANSYS有限元软件进行的电磁场数值模拟的结果进行了详细分析。结果表明,圆柱形推力器磁路设计是合理的,另外也证明了用ANSYS有限元软件进行电磁场模拟的可靠性。     

螺旋波等离子体推进器原理研究

电推进作为一种新型推进技术已受到国内外航天界的广泛关注,且已成功应用于卫星、深空探测器等任务。在众多电推进器中,螺旋波等离子体推进器以其无须电极、比冲大、使用寿命长、性能高等优点成为近年来人们重点研究的对象。文章首先从螺旋波等离子体推进器的发展历程、研究现状和发展态势等角度进行了系统介绍;然后对此种推进器的结构组成以及推进原理进行了阐述;并对几种典型离子加速方式进行了研讨;最后对螺旋波等离子体推进器的应用前景进行了展望。     

双组元离心式喷注器10 N发动机偏工况试验

根据国内外同类发动机研制经验,双组元10 N发动机在入口压力为0.8~2.2 MPa范围内,入口压力偏差会使发动机真空比冲、燃气温度等性能产生较大变化。为了获得双组元离心式喷注器10 N发动机在落压推进系统要求的入口压力范围内性能,通过采用小流量喷雾试验台和42 km高模试验台,对偏工况条件下的冷态性能及热试性能进行试验研究。试验结果表明:该发动机额定入口压力1.58 MPa时真空比冲为2881 N·s/kg;当入口压力在0.6~2.5 MPa变化时,对应真空推力从4.7 N增加到14 N,落压比为3;入口压力0.6 MPa时真空比冲为2600 N·s/kg,入口压力2.5 MPa时真空比冲为2956 N·s/kg;入口压力在0.6~2.5 MPa试验范围内,发动机燃烧室壁温均低于材料许用温度,表明发动机热设计优良,可满足双组元落压推进系统对姿控发动机的性能需求。     

电动泵与挤压式推进系统对比研究

对电动泵和挤压式推进系统进行了对比研究,主要考虑了气瓶、增压气体、贮箱、电池和电机等因素对推进系统的影响,结果表明:相对于传统的挤压式推进系统,电动泵供应系统已经具有明显的优势,而且能够获得更高的综合性能;锂离子电池具有较大的能量密度和功率密度,更适合应用于电动泵供应系统;采用高性能永磁电机能够使得整个推进系统的质量更轻。在实际推进系统设计时,应综合平衡发动机推力、燃烧室压力和工作时间等参数的影响,才能有效地控制电池和电机的质量,保证整个系统具有较高的综合性能。     

基于MME/KF的电推进器推力在轨标定算法

为了确保小推力量级电推进器在轨工作的有效性,提出了一种基于MME/KF（Minimum Model Error/Kalman Filter）的电推进器推力在轨标定算法。该算法对推力标定过程为:首先使用飞轮产生一个已知的周期性力矩作用于卫星上,同时姿态控制器发送指令给电推进器来保持卫星的稳定;然后将陀螺仪数据代入MME算法中估计出卫星的角加速度,并利用KF算法实现电推进器在轨标定;最后进行数学仿真。结果表明该算法在常规推力下可以提高在轨标定精度,并且可以实现小推力条件下的在轨标定。     

电推进系统空间试验技术研究

电推进系统的相容性、空间推力/比冲等是空间应用关注的重要性能指标。根据电推进系统未来空间试验技术发展趋势,调研了国内外离子、霍尔电推进系统的推力、电磁兼容性、对卫星的污染等空间试验情况,结合我国电推进系统首次开展空间试验现状、电推进系统的布局,以及星上配备的卫星污染与电位监测器,对空间环境条件下卫星的污染、电推进自身及卫星设备的电磁兼容性、空间推力标定方法、推进剂剩余量分析方法等进行了研究。通过电推进系统在轨连续试验、电推进羽流影响等分析,得到电推进对卫星周围污染情况、电推进与卫星平台的电磁兼容性等在轨性能参数,可为全面评价电推进系统技术、科学制定电推进空间试验计划及电推进空间应用提供依据。     

氙离子推力器束流分布特性研究

建立了离子推力器束流分布的高斯模型,以200mm氙离子推力器为例,在不同工作环境下对推力器束流分布进行了数值模拟,并通过试验测量了推力器引出切面不同位置(轴向z=50mm,z=100mm)下的径向束电流密度和束离子密度分布。通过对数值模拟结果与试验测量结果的比较,误差为17%,认为数值模拟结果与试验测量结果吻合较好。表明离子推力器引出束流呈轴对称分布,在推力器出口附近,束离子密度很大,越往下游,密度越小且束流出现发散。     

空间发动机羽流研究技术发展综述

首先介绍了目前进行空间发动机羽流研究的必要性,同时说明地面试验和数值模拟方法都是研究空间发动机羽流特性的有效手段,两者缺一不可。在此基础上,总结了国内外羽流地面试验关键技术和发展状况。然后,分别总结了国内外最具代表性的空间发动机羽流试验台的组成、真空抽吸方式、主要技术指标和特点,包括美国的J2-A试验舱和CHAFF-IV试验舱,欧洲的CCG羽流污染试验舱和STG低温氦冷羽流试验舱,中国的KM系列空间环境模拟器和PES地面羽流试验台。最后,介绍了与羽流地面试验相关的数值模拟技术的发展,总结了进行羽流数值模拟的模型,重点介绍了常用的DSMC方法的典型应用和基于此方法所开发软件的情况,并针对大密度羽流场和电推进发动机羽流场的特点分别总结了其进行羽流场计算的方法。     

Development of HEP-XXMF Series Hall Thrusters in BICE

Hall thruster is a type of electric propulsion thruster which is often regarded as a moderate specific impulse space propulsion technology and is used primarily for station keeping and orbit maintenance tasks. Magnetic field is the most important aspect in Hall thruster's design. Each time the performance improvement of Hall thrusters is accompanied with the regeneration of magnetic field design. Now, all the major space nations treat the magnetic field design as the key technology for Hall thrusters, and many Hall thrusters have emerged in recent years, for example, BPT-4000 and NASA-173 M. In China, based on magnetic focus technology, the Beijing Institute of Control Engineering(BICE) has been developing Hall thrusters ranged from hundreds of watts to 5 kilowatts, including the 1500 W HEP-100 MF and the 5 k W HEP-140 MF Hall thrusters. This paper briefly reviews the development of the HEP-XXMF series Hall thruster. The principle of the Hall thruster, the design methods and the current status of HEP-100 MF and HEP-140 MF are discussed in the paper.     

双组元姿控发动机喷管化学反应流场数值模拟

本文对混合比为０．９、１．０、１．１三种状态下工作的双组元自然推进剂（肼／四氧化二氮）姿控发动机喷管内化学反应流动进行了数值模拟。数值模拟时采用了弱耦合点隐式方法的数值方法及肼／四氧化二氮的十二组分、十三个基元反应的有限速率化学反应模型。得到了三种混合比下反应流及混合比为１．０时冻结流发动机的推力和比推力、喷管中的流动参数及各组分的质量分数。分析表明，数值模拟的结果与理论分析一致，结果可靠。本文工作为姿控发动机的喷管设计提供了理论依据。     

卫星单元肼推进系统落压工作特性的数值仿真与试验

以风云三号(FY-3)卫星为研究对象,提出了一种卫星单元肼推进系统落压工作特性的数值仿真法。根据简化的推进系统物理模型,建立了贮箱、管路、自锁阀与过滤器,以及推力器的仿真数学模型。计算了四种不同工况下的落压工作特性。计算结果与FY-3卫星推进系统热试车试验数据的比较表明,两者相当吻合。由此验证了该数值仿真法的准确性和工程推广应用的可行性。     

20cm口径离子推力器性能建模与仿真

为了分析国内首台通过在轨飞行测试的20cm离子推力器栅极系统束流离子运行特性和推力器性能,针对该推力器栅极系统建立了束流引出二维数值仿真计算模型,利用PIC/MCC数值仿真计算方法,模拟束流引出过程中带电粒子在电场作用下的加速、聚焦与引出、带电粒子与中性原子之间的相互作用、电场和等离子体流场之间的相互耦合等过程。数值计算结果显示,屏栅截获的离子电流约为1.71×10 -4 A,加速栅截获的电流和CEX离子电流分别为0 A和9.11×10 -7 A,因此,加速栅电流的主要来源是冲击到其表面的CEX离子,证明了加速栅电流的主要来源是冲击到其表面的CEX离子,计算的加速栅截获电流与束流电流之比约为0.114%。试验测得推力器运行4000h期间,电子反流极限电压始终为75~90〖KG*9〗V,其变化幅度很小,这意味着中和器发射的电子在栅极系统中的反流不会导致其发生失效。理论计算结果与试验测试值相比,误差约为1.08%。〖JP〗     

一种新颖的微空心阴极放电等离子体推力器

微小卫星的发展和成功应用迫切需要新型微推力器的研制。微放电技术是等离子体放电中重要的一类,近几十年来成为各国的研究热点。其中,微空心阴极放电(MHCD)是一种新颖的非平衡高气压辉光放电,其优点是可以在高气压下稳定放电,并且只需要非常低的电压(几百伏特)或者输入功率(百毫瓦数量级)。MHCD建立在2个几百微米厚度的金属平面电极上,材料可以是钼、铝等,由电介质(云母或氧化铝)隔开。"三明治"的布局结构上从一个电极到另一个电极钻有直径为几十微米到几百微米的孔,气体压强可以很高,甚至超过大气压。微空心阴极放电较小的尺寸结构与强烈并可控的气体加热相结合,可以开发应用在新型的电热式微等离子体推进上。由于微空心阴极放电等离子体推力器在微放电等离子体中加热了工质气体,随后通过微喷管喷出产生推力,因此与传统的冷气微推力器相比,可大大提高推力器的比冲和推力。