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。     

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...     

微阴极电弧推力器磁路设计

微阴极电弧推力器是一种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,并在外加磁场作用下喷出以产生推力的微型电推力器。微阴极电弧推力器磁场设计是推力器设计中的重要工作之一,将影响推力器工作稳定性和工作性能。分别采用多匝通电螺线管计算公式、二维和三维数值仿真完成磁路设计,磁感应强度随线圈电流和线圈匝数增加而变大;当线圈电流15A、线圈匝数为600匝时,放电通道中心线磁感应强度最大值超过0.3T;采用特斯拉计测量磁感应强度,仿真结果与测量结果吻合较好。最后采用时间飞行法（TOF）测得等离子体速度随磁场增强而增加。     

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...     

微阴极电弧推力器羽流探针诊断研究

微阴极电弧推力器（micro-cathode arc thruster,μCAT）具备功率低和结构简单的特点,能够满足微纳卫星的任务需求,具有良好的发展前景。μCAT羽流的诊断可以揭示推力器的加速机理,对提高其性能具有重要意义。利用朗缪尔三探针对μCAT羽流进行诊断,得到了μCAT羽流不同位置的电子温度、电子密度和离子速度等羽流特性,研究了外加磁场、充电时间和阴极材料对羽流特性的影响。研究结果表明,μCAT放电初期产生的等离子体电子温度较高,密度较大;随着等离子体向下游运动,电子温度和电子密度降低,离子速度增大;外加磁场的磁感应强度越强,电子温度和离子速度越高,电子密度有所降低;磁场位置适当向推力器下游平移,能够有效提高推力器中轴线的电子密度;μCAT充电时间越长,电子温度、电子密度和离子速度越大;相比于CuW和AgW阴极,Ti阴极羽流的电子温度更高,电子密度更低。     

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。     

同轴微阴极电弧推力器的粒子网格法数值模拟

采用粒子网格方法对同轴微阴极电弧推力器μCAT工作过程进行了模拟研究, 并应用自相似方法对模型进行简化,获得了推力器羽流区的电子数密度分布、离子数密度分布、电势分布及离子轴向平均速度,通过改变磁感应强度和位形分析磁场对推力器内等离子体运动特性及推力器性能的影响。计算结果表明,电子被外加磁场捕获约束在磁力线附近,低速离子与高速电子形成的双极扩散电场加速离子喷出;在相同流量情况下,磁感应强度002T时,离子返流严重,磁感应强度005~030T时,磁感应强度变化对速度影响较小;磁场位形对离子运动和推力器性能有较大影响,磁力线与轴线夹角较小时离子速度下降明显,夹角较大时离子返流严重。     

空心阴极羽流形态与热特性的变化机理

空心阴极的放电模式主要有点状和羽状两种,为研究两种模式的转变机理,采用PIC/PCD（单元粒子/等离子体化学动力学）混合算法对阴极内部等离子体流场进行计算,以辐射传递系数处理阴极内部的热辐射计算,并且在通过流场与热场的多次迭代计算后达到收敛。为验证数值模型的计算精度,考察阴极表面5个测点的计算结果与试验数据对比,计算误差在5%以下,并且以羽流光色计算图与试验照片作对比,定性验证模型对放电模式的模拟精度。在此基础上,对不同气体流量下、不同阴极顶孔径的阴极内部各类等离子体参数分布进行计算,通过分析阳极电压、羽流形态变化的内在原因,获得点-羽放电模式的转变机理,可为阴极优化提供理论支撑。     

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。     

微型微焦斑X射线闭管及阴极丝电子发射差异性

行星岩石成分原位测量是行星探测的基本需求,X射线荧光分析是开展元素成分测量的重要技术手段。针对深空探测X射线荧光分析仪的需要,设计并研制了一款微型微焦斑X射线闭管,尺寸为Φ15 mm×22 mm,焦斑尺寸230μm,工作时阳极接地,阴极接浮地负高压,最大电压为–50 kV。在微型X射线闭管研制过程中,开展了螺旋型钨丝、直线型钨丝、直线型铼钨丝等常用热阴极的电子发射差异性研究,测量了各型热阴极的电子发射效率。结果显示,在200 V阳极电压下,低铼含量直线型铼钨丝电子发射效率最大为27.87μA·W^–1,是螺旋型钨丝的4倍,直线型钨丝的9倍;掺铼钨丝电子发射效率远高于纯钨型阴极丝。此外,铼钨丝还具有电子发射快、预热要求低、对真空度要求不高等特点,是深空探测X射线闭管阴极丝较理想的选择。     

固体运载火箭发射轨道一种快速生成方法

通过采用牛顿迭代法快速优化发射方位角,克服了发射方位角初值偏差过大的缺陷,极大缩短了优化时间。通过采用基于特征参数网格化的程序角优化设计技术,建立了程序角设计参数数据库,在机动发射的情况下能够快速进行参数插值,避免了大量优化计算过程,有力地支持了机动发射情况下发射轨道的快速生成。最后通过仿真证明设计算法的有效性和正确性。     

基于电推力器进行南北位置保持的一种地球同步轨道注入参数方法

摘要： 电推力器在静止轨道卫星上应用越来越广泛,特别是基于电推力器进行南北位置保持,可以有效节省推进剂.提出改进的GPS星历参数解析算法,在此基础上考虑包含电推力模型在内多摄动项模型进行地面精密轨道计算,采用微分修正法,提出一种地球同步轨道注入参数方法,该方法可应用于星上自主完成基于电推力器的南北位置保持.仿真算例表明使用该方法得到的轨道注入参数,卫星能够在保证姿态确定精度的同时,完成南北位置保持任务.     

一种探月任务多窗口发射轨道设计方法

针对探月任务多窗口发射需求和目标轨道受到明显月球引力摄动的特点,提出一种快速高效的发射轨道设计方法：在星箭分离前的发射段,各发射窗口对应的发射轨道的一、二级飞行段完全相同,仅调整三级工作段程序角和无动力滑行时间,以满足入轨要求;在末级排放段,微调末级速度方向,利用月球摄动抬高末级近地点高度,使之超过GEO受保护区。该方法可统一火箭一、二级飞行段状态,缩小子级残骸落区范围,增强入轨参数设计的灵活性,显著提高星箭入轨参数迭代和相关分析工作的效率,明显改善末级离轨效果,符合空间安全相关要求,可推广应用于其他深空探测任务的多窗口发射轨道设计。     

一种数字电路电磁传导发射多源模型提取方法

基于电磁干扰要素理论,提出一种数字电路电磁传导发射多源模型提取方法,用于解决数字电路电磁传导发射的建模问题。以电磁干扰要素理论为出发,综合考虑数字电路模块特点,将数字电路电磁传导发射模型划分为若干基本要素和扩展要素。针对数字电路时钟信号特征,选取梯形脉冲序列为基本要素形式,提出一种改进的联合估计算法用于提取基本要素参数及对应扩展要素系统传递函数模型;针对数字电路多源共存的情况,提出一种基于自相关函数的多源辨识分离方法,从而实现从一组测试数据中识别出多个基本要素及对应扩展要素,并最终完成数字电路电磁传导发射的建模。仿真及实验结果验证了所提方法的可行性和准确性。      

一种基于悬臂梁结构的动态推力测量方法

为实现星载微推进器性能评价中的动态推力测量,基于悬臂梁动力学模型,建立了测量系统的传递函数,分析了系统的输入输出特性,根据悬臂梁响应速度快（振动频率高）、动态分量在较小时间区间内接近等幅振荡（阻尼比小）以及高阶振动可视为基频振动噪声的特性,提出了求解稳态位移的末端均值法。该方法通过消除位移响应中的动态分量,得到了误差带较大时的稳态位移时变值,实现了动态推力测量。依据系统稳态位移与推力为线性关系、线性系数为系统增益值这一特性,提出了参数标定方法。搭建了试验平台,标定得到系统响应时间为156ms,通过对比扭摆系统测量结果,悬臂梁测量得到的冲击力与实际推力相对误差为4.064%,结合冲击力本身的测量误差1.383%,最终得到推力测量误差为4.293%。     

一种计算金属二次电子发射系数的解析模型

精确的金属材料二次电子发射系数模型对于计算空间大功率微波部件的微放电功率阈值至关重要,而现有的二次电子发射系数模型在准确性和工程应用两方面不能兼顾。通过分析二次电子的逸出几率,结合修正的Bethe能量损失规律,建立了金属材料二次电子发射系数的解析模型。进一步以未清洗的和Ar离子清洗过的Ag材料为例,用解析模型对试验测量值进行了拟合,在获得解析模型中关键参数的基础上建立了Ag材料二次电子发射系数模型。计算结果显示,在不同入射角度下未清洗和清洗Ag 材料的模型计算值与试验值的均方差在4%以内,表明提出的解析模型在减少拟合参数的基础上能够获得具体金属材料精确的二次电子发射系数模型,可用于精确模拟空间大功率微波部件的微放电功率阈值和加速器内部的电子云浓度。     

一种有限推力航天器交会轨道的鲁棒设计方法

基于C—W方程描述的二体相对运动模型,考虑利用范数有界方法刻画航天器交会过程中的参数不确定性,并结合控制推力受限的工程需要,提出了一种在不确定环境下有限推力航天器交会轨道的设计方法。通过构造Lyapunov函数,将此设计问题转化为一个具有线性矩阵不等式约束的凸优化问题,通过求解此问题即可设计出符合航天器交会要求的鲁棒状态反馈控制器。     

一种空间交会绕飞段的小推力滑移制导方法

小推力技术在空间交会任务中应用前景巨大,可用于长期绕飞和快速绕飞任务．研究滑移制导方法在空间绕飞中的具体应用,给出任意空间绕飞任务的描述方式,推导任意平面内的圆轨道绕飞和椭圆轨道绕飞公式．考虑实际工程需要,研究基于小推力发动机的滑移制导方法在工程上的实现问题,仿真验证了小推力技术在绕飞任务中的工程可行性．     

一种基于深度学习的电磁信息泄漏检测方法

电子信息设备工作时无意发射的电磁波中包含有用信息,会导致电磁信息泄漏,从而威胁设备的信息安全。现有的电磁信息泄漏检测方法,在复杂现场环境下,难以从具有不确定性的电磁泄漏信号中提取有用信息。面向电磁信息安全问题,开展了电磁信息泄漏检测研究,提出了一种基于深度学习的检测方法。设计了一个适用于电磁泄漏信号的一维卷积神经网络,并结合改进的梯度加权类激活映射方法,在未知电磁信息泄漏特征的前提下,通过深度学习实现电磁信息泄漏特征的智能标定和自动提取,从而解决了现场环境下电磁信息泄漏检测难以提取有用信息的问题。分别通过实测和仿真对比实验,验证了所提方法的有效性。