An experimental study on carbon nanotube cathodes for electrodynamic tether propulsion

Research and development of an electrodynamic tether propulsion system for space debris removal has been started in the Institute of Space Technology and Aeronautics, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA). An experimental investigation of a carbon-nanotube field-emission cathode (FEC), which is suitable as an electron emitter in this propulsion system, was conducted in this study. One of the important issues in the design of a FEC is to suppress an electron flow to a gate electrode to avoid thermal deformation of the electrode and to reduce power loss. For meeting this requirement, we designed an FEC device having a masking plate on a cathode surface. A numerical simulation indicated that presence of the masking plate distorts the electric field adjacent to the cathode surface and a converged electron beam that does not impinge on the gate electrode is formed. Several FEC devices were fabricated based on the simulation results, and they were tested experimentally. Results showed that no electron current flowed to the gate electrode when all the electrodes were assembled and aligned correctly.     

电推进系统空心阴极产品试验技术

空心阴极是电推进系统可靠性和工作寿命关键部件,空心阴极产品的研制在很大程度上依赖于阴极试验技术的支持。在介绍空心阴极试验分类和试验设备的基础上,从性能试验、验收和鉴定试验及寿命验证试验等方面讨论了电推进系统空心阴极的产品试验技术。     

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。     

离子电推进技术的发展现状与未来

离子电推进是最具代表性和技术成熟度的电推进技术类型之一。本文从放电室技术、离子光学系统技术、放电阴极和中和器阴极技术的优势、缺憾等方面,总结了离子电推进的技术发展现状。针对未来航天任务对离子电推进更大功率、更高比冲、更简系统等新需求,分析了传统离子电推进所面临的主要技术挑战,梳理出了环型离子电推进、双级加速离子电推进、自中和离子电推进、螺旋波放电离子电推进等创新离子电推进技术发展的未来方向。     

火星环绕器推进系统建模与可视化研究

针对液体推进系统的联合仿真演示需求,基于模块化建模思想,根据守恒方程和状态方程,应用AMESim开发了通用液体火箭发动机组件模块库并建立了推进系统仿真模型,利用Simulink和LabVIEW开发了仿真控制模块和视景仿真模型,搭建了全系统联合仿真环境与平台.结合某型火星环绕器推进系统的任务要求以及具体构成,实现了该火星...     

10kV太空电子枪的光学系统设计及仿真研究

为使电子枪的性能满足太空环境下的作业要求,对10 kV太空电子枪的光学系统进行设计与仿真研究,给出一套完整的设计方法及流程.首先选择合适的阴极材料,仿真得到电子束的轨迹;而后算出合适的焦距,对一级聚焦电子光学系统进行仿真.鉴于一级聚焦系统不能实现在工作距离为300 mm时束斑直径为0.4 mm的设计目标,进而设计二级聚...     

航天器表面充电仿真计算和电位主动控制技术

文章运用等效电路理论推导出随时间变化充电问题的微分方程组,用FORTRAN语言开发了相应的计算机模拟程序,针对强地磁亚暴空间环境分析了地球同步轨道航天器在阴影区和光照区的充电水平。最后计算讨论了采用空心阴极等离子体接触器向航天器外发射电子束作为控制航天器充电水平手段的作用效果。     

Development of hall thruster propulsion system for STSAT-3 application

Science and technology satellite-3 (STSAT-3) is being developed and is scheduled for launch in 2011. One of the primary objectives of its mission is to verify the performance of a hall thruster propulsion system (HPS) that uses xenon gas. According to its major functions, the HPS can be divided into several sub-modules. This paper presents the development and qualification of the hall effect thruster propulsion subsystem that includes a xenon feed system (XFS). The xenon feed system regulates the pressure down from the xenon propellant tank and supplies the xenon flows to the anode and cathode. The technology and xenon feed system developed for the STSAT-3 spacecraft will also be applicable to a variety of future electronic propulsion systems and micro-satellites. Details related to the overall development and performance results of the HPS are presented in this paper.     

一种无加热器的电推进用空心阴极

电推力器在国际上已得到广泛应用.目前应用的电推力器,启动时间较长,无法用于需要快速响应的场合.空心阴极是造成电推力器启动时间较长的根本原因.无加热器阴极是一种新型空心阴极,可使得电推力器的启动时间缩短至1 s之内,大大提升电推进系统的响应特性,而且还可以提高电推进系统的稳态工作性能和可靠性.本文介绍无加热器阴极的基本工作原理和应用优势,详细论述无加热器阴极的研究进展,提出突破无加热器阴极技术需要攻克的关键技术.     

氮掺杂多孔碳纤维改性锂硫电池正极材料

锂硫电池具有高比能量密度,在航空航天、无人机等电源系统应用方面受到了广泛关注。但是其本身也存在一些问题,如电池正极材料反应前后体积膨胀、导电性差和容量衰减迅速等,这些均限制了其应用推广。本文通过引入氮掺杂多孔碳纤维作为硫正极材料载体来改善其性能。一方面,碳纤维能提供大的反应比表面积和相互交织的导电网络,有效促进了活性材料之间的电化学反应;另一方面,氮原子掺杂和表面孔的存在,增强了对反应中间产物多硫化锂的吸附性,使得电极循环稳定性得到提高。研究结果表明:改性后含硫正极在167.5 mA·g~(-1)电流密度下,初始放电比容量达到1 078.3 mAh·g~(-1),经过100周充放电循环后,容量可保持在525.4 mAh·g~(-1),平均每周容量衰减率为0.5%;当电流密度增大到1 675 mA·g~(-1)时,放电比容量仍可以达到502.3 mAh·g~(-1),表现了良好的循环稳定性和倍率性能。     

A performance comparison of ultrasonically aided electric propulsion extractor configurations

As a novel propulsion technology, ultrasonically aided electric propulsion (UAEP) offers a high specific impulse and a high thrust density. In this paper, the effects of extractor grid configuration on performance of a UAEP thruster have been investigated by both experimental studies and numerical simulation. Relationships between spray current and operation parameters, including applied voltage, propellant flow rate, and vibration power and frequency, are explored for different extractor mesh sizes and shapes. Numerical simulation is also carried out for a better understanding of the formation of capillary standing waves as well as the electric field distribution in the acceleration zone. Experimental results show that compared with a circular shaped extractor, a reticular shaped extractor is able to produce a higher spray current. The current density increases with a denser mesh, which agrees well with the numerical simulation results. This phenomenon indicates that optimizing extractors with appropriate shapes and sizes can be an effective way to improve the performance of a UAEP system. A performance evaluation based on hydrodynamic and electrostatic calculations indicates that the present UAEP system can produce a thrust competitive to that of the colloid thruster with an emitter array.     

电动帆轨迹优化及其性能分析

电动帆是一种新兴的无推进剂损耗的推进方式,利用太阳风的动能冲力飞行。电动帆由数百根长而细的金属链所组成,这些金属链通过空间飞行器自旋展开,太阳能电子枪向外喷射电子,使金属链始终保持在高度的正电位,这些带电的金属链会排斥太阳风质子,利用太阳风的动能冲力推动空间飞行器驶向目标方向。针对电动帆轨迹优化问题,提出采用Gauss伪谱法进行轨迹优化,克服了间接法对协态变量初值敏感的缺点。考虑在太阳风暴等原因造成特征加速度改变的情况,基于Gauss伪谱法实现电动帆在线轨迹重新规划,提高电动帆对太阳风不确定性的适应能力。最后以太阳系外探测任务为例,对电动帆和太阳帆的性能进行对比,仿真结果表明电动帆在星际远航任务中所用时间较短。     

可再充填启动篮表面张力推进剂管理装置设计及试验研究

对启动篮表面张力推进剂管理装置工作原理进行了说明,建立了可再充填启动篮再充填过程仿真模型,根据仿真结果对影响启动篮再充填的各种因素进行了分析.加工原理性试验件进行了静态充填试验和动态充填试验,试验结果和仿真结果基本一致,验证了计算模型的正确性.初步掌握了可再充填启动篮表面张力推进剂管理装置设计、加工和地面试验技术.     

空天飞行器六自由度数学建模研究

研究了空天飞行器超声速和高超声速飞行条件下六自由度仿真模型,该模型包含了完整的六自由度动力学方程和运动方程。气动力和力矩系数是迎角、马赫数及控制舵面偏角的函数;发动机模型为吸气发动机和变推力火箭发动机的组合推进装置;飞行器的质心;惯性矩是飞行器质量的时变函数。所得结果可以用于未来高超声速飞行器或新一代单级入轨运载器轨迹优化、姿态控制等问题的概念设计和仿真研究。     

混合推进最省燃料轨道设计方法

使用混合推进方式设计地-月圆型限制性三体模型下的最省燃料转移轨道。将化学发动机以及电推进发动机的燃料消耗总和作为目标函数进行优化,推导一阶必要条件和雅可比矩阵。选择从近地圆轨道出发到达地-月L1附近Halo轨道的转移轨道为例测试上述方法。仿真结果表明,相比发射脉冲固定的情况,混合推进方式进一步降低了燃料消耗,而且给出了飞行时间和燃料消耗不同的组合方式,给予任务设计更大的灵活性。     

金属膜片贮箱膜片变形的数值模拟与失效分析

根据弹塑性有限变形理论，用有限元法建立了卫星推进系统贮箱金属膜片变形的有限元分析模型。在一定条件下，模拟了贮箱金属膜片的变形翻转过程，分析其翻转的特点，以及变形过程中表面压力、顶点径向位移和卷边处应力的变化，并给出了膜片失效原因。研究表明，数值模拟与试验结果较为吻合，所建分析模型合理。     

某推进系统气路启动特性研究

为研究某推进系统气路启动特性,找到造成影响减压阀建压稳定性的原因,获得稳定的减压阀出口压力建压过程,依据系统仿真方法及相关试验,对该推进系统气路启动特性进行了研究。结果表明,减压阀阀后压力稳定性与阀后的管径及阀内的N_M~L存在关系。     

航天器动力管路热控设计与试验研究

针对某航天器动力系统管路布局分散造成系统温差大、控温难的问题,结合动力管路温度指标要求和边界环境条件,采用以被动热控措施为主、辅以电加热主动热控措施的设计方案。分析确立动力管路的热环境,建立换热模型;通过仿真分析和整器热平衡试验,选取不同工况,验证了动力系统氧化剂管路和燃烧剂管路温度均维持在8～20℃范围内的热控设计结果。该方案对各类航天器的动力管路热控设计和分析有一定的指导和借鉴作用。     

影响星载微波部件微放电阈值的Furman模型研究

星载微波部件的微放电效应是影响航天器微波传输系统独特的瓶颈问题之一。以星载微波部件微放电阈值仿真中广泛使用的Furman模型为研究对象，以平行平板传输线为例，研究并获得了Furman模型中本征二次电子、弹性散射电子、非弹性散射电子3类电子的模型参量对微放电阈值的影响规律，并通过对总二次电子发射系数的影响合理解释了微放电阈值的变化规律，为星载微波部件微放电阈值的精确仿真提供了规律指导。     

基于特征空间变换的运载火箭Pogo模型降阶方法

针对运载火箭Pogo状态空间模型存在维数高和奇异性的问题,开展了Pogo模型的降阶方法研究。基于特征空间变换理论,导出了一般形式的Pogo状态空间模型的解耦形式。该形式与推进系统和结构系统的模态频率相对应,从而通过模态截断或保留感兴趣的模态实现有效的模型降阶。同时,还给出了降阶方法的实数运算公式。在两种不同型号推进系统的火箭Pogo问题中进行了仿真校验。结果表明所提出的降阶方法对奇异和非奇异Pogo状态空间模型都能给出正确的降阶模型,显著地提高计算效率,具有很好的通用性,为Pogo时域仿真和主动抑制提供了合适的模型。