空间化学推进技术的发展

空间化学推进技术包括双组元推进、单组元推进和微推进技术.双组元推进技术的发展,一方面依赖于采用高能推进剂和提高燃烧室压力,另一方面依赖于推进剂提高密度、降低毒性和降低冰点.硝酸羟铵基单组元推进剂密度比无水肼大40%,蒸汽无毒,冰点低于-20℃,有望取代无水肼.现在比较成熟的两个配方硝酸羟铵-甘氨酸-水体系和硝酸羟铵-甲醇-水体系.纳米卫星则需要从微牛级到毫牛级推力的微推进技术.     

新型硝酸羟铵类单组元推进剂的研制和试验

一组对环境有利的新型单组元推进剂已被确定用于取代无水肼。这组新型单组元推进剂是以硝酸羟铵([N~+H_3OH]NO_3~-)为主要成份的混合物,适合用于推力室和燃气发生器。与无水肼相比,硝酸羟铵混合物密度和比冲比较高,冰点比较低。这组推进剂比较安全,因而降低了地面使用维护成本。美国宇航局路易斯研究中心正在研究硝酸羟铵推进剂的配方,并且设计用于小卫星的发动机。采用试验推力室和模拟飞行状态的推力室,对不同配方的硝酸羟铵进行了热试。推力室的结构材料与无水肼推力室的材料完全一样,只是催化剂不同。硝酸羟铵推力室稳态和脉冲工作数据表明,硝酸羟铵推进剂完全可以取代无水肼和冷气推进剂,用于空间飞行器和其它航天任务上。本文综述了目前有关硝酸羟铵推力室设计规范、推力室研制的进展情况、稳态和脉冲工作试验结果。另外,从推动目前单组元发动机的技术水平出发,提出了在推力室研制过程中所面临的一些具有挑战性的问题。     

运载器羟铵硝酸基单组元推进剂评估

由于航天飞行的费用不断增长,且需要进一步提高运载器性能并减少对环境的危害,这些促使考虑改变火箭设计和推进剂选择的标准。以往推进剂的性能优劣仅取决于比冲和密度,现在对环境安全无害及可操作性与费用也是关键因素。目前对这些因素的重视使政府和商业发射商对使用HAN(羟铵硝酸)基液体推进剂作为简单、安全、可靠和高性能的单组元推进系统用推进剂更加感兴趣。     

硝酸羟胺推进技术发展现状与趋势

传统航天器大部分单组元系统均采用肼或其衍生物作为推进剂,但肼类推进剂不仅强致癌,且易燃易爆。与肼相比,硝酸羟胺(HAN)基单组元推进剂具有毒性低、比冲高及环境友好等优势。因此,HAN基单组元推进剂是一种绿色推进剂,将其用于航天器推进系统中是十分必要和迫切的。本文对HAN推进技术的发展现状进行了调研,并对绿色HAN推进技术未来发展和应用趋势进行了分析与研判。     

氧化亚氮推进技术研究进展

随着环境保护的加强,人们越来越希望找到一种绿色推进剂来代替现有的肼类有毒推进剂.氧化亚氮作为一种绿色推进剂,无毒性,地面实验操作处理方便,不需要繁琐昂贵的防护;常温贮存性,贮箱几乎不需要主动热控制;饱和压力高,可采用自增压方式供应推进剂;绝热分解温度较高,可作为单组元和双组元发动机的推进剂.分析了氧化亚氮作为推进剂的性能及其主要应用领域,着重研究其在液体火箭发动机的应用.通过对氧化亚氮自增压供应系统,单组元推进的催化分解系统,克服催化床限制的氧化亚氮与燃料混合的NOFBXTM技术,以及氧化亚氮作为氧化剂的双组元推进系统的国内外研究进展进行综述,指出当前研究工作中存在的问题,以期为该方面的进一步研究提供一定的参考.     

无毒单组发动机技术研究

介绍了国内外几种无毒单组元发动机技术的研究背景及研究现状。列出了过氧化氢推进剂、羟基推进剂及硝酸肼基推进剂的一般物理、化学特性和主要性能。除比较了上述三种推进剂无毒单元发动机的工作原理及性能特点外，还在推进剂配方的确定、催化剂的选择及发动机结构设计准则等方面进行了初步的探讨，并地三种推进剂发动机的空间应用前景进行了评价。     

低冰点推进剂1N单组元发动机技术研究

单组元发动机采用低冰点推进剂具有良好的低温冷起动和工作性能,对于实现航天器的长期在轨驻留、轨道控制和姿态调整具有十分重要的意义。对-30℃低冰点四体系推进剂的特性进行了分析,对低冰点推进剂小推力量级发动机催化分解技术进行了试验研究。试验结果表明,发动机冷起动、关机正常,稳态、脉冲工作稳定,性能可靠。     

无毒单组元发动机技术研究

介绍了国内外几种无毒单组元发动机技术的研究背景及研究现状。列出了过氧化氢推进剂、羟基推进剂及硝酸肼基推进剂的一般物理、化学特性和主要性能。除比较了上述三种推进剂无毒单元发动机的工作原理及性能特点外，还在推进剂配方的确定、催化剂的选择及发动机结构设计准则等方面进行了初步的探讨，并对三种推进剂发动机的空间应用前景进行了评价。     

硝酸羟铵基单元推进剂小推力室的性能和寿命试验

由硝酸羟铵(HAN)、甘氨酸和水组成的单元推进剂对环境无害。采用这种新型推进剂进行了火箭发动机试验,以测定小推力(4.5～9.0N.推力级别)催化分解推力室的性能和寿命特性.研制硝酸羟铵基推进剂长寿命催化反应室,是对当前单元推进剂技术的挑战。硝酸羟铵与燃料配混燃烧后产生的燃气,分子量比较高,需要把燃烧室温度限定在目前催化剂耐高温性能范围内,以便将发动机比冲保持在能够接受的水平。硝酸羟铵与燃料配混燃烧后产生相当多的水蒸汽,使工作环境更加恶劣。传统的贵金属催化剂在这种高温水蒸汽环境中,表面积和活化金属都有所损耗。通过发动机性能试验和寿命试验,本文讨论了目前硝酸羟铵推进剂推力室研制过程,推力室设计和催化剂选择方案。     

国外单组元变推力发动机应用与关键技术

介绍了国外单组元变推力发动机的应用现状,阐释了单组元变推力发动机的结构和设计原理,总结了研制和改进过程中的关键技术,主要包括径向双层夹套催化床设计、径向喷注器设计、流量稳定调节技术和催化床空穴控制技术等。美国为火星软着陆研制的MR-80和MR-80B无水肼单组元变推力发动机分别应用于“海盗”号和“好奇”号着陆器下降级推进系统。MR-80发动机可实现275~2835 N变推力调节,推力变比为10∶1,比冲为205 s,呈120°均布于“海盗”号着陆器三角形基座的长边。“好奇”号下降级推进系统由2个高压氦气瓶、3个推进剂贮箱、8台单组元变推力发动机、8台单组元250 N姿控发动机、1个压力控制组件和3个推进剂控制组件组成,MR-80B发动机可产生31~3603 N的真空推力,推力变比达到100∶1,比冲范围为204~223 s。     

我国空间推进技术研究现状及发展

空间推进是航天器实现轨道机动和姿态控制的动力源.经过60多年的发展,我国在空间推进方面逐步掌握了化学推进、电推进、在轨补加等一系列关键技术,实现了从常规有毒向新型无毒的转变,以及从化学能推进向更高能量密度推进的升级,形成了型谱化空间推进产品,并成功应用于我国运载火箭、载人航天、人造卫星、深空探测、空间防务等领域,支撑了...     

Investigation Into Cost-Effective Propulsion System Options for Small Satellites

The paper summarizes research into cost-effective propulsion system options for small satellites. Research into the primary cost drivers for propulsion systems is discussed and a process for resolving them is advanced. From this analysis, a new paradigm for understanding the total cost of propulsion systems is defined that encompasses nine dimensions – mass, volume, time, power, system price, integration, logistics, safety and technical risk. This paradigm is used to characterize all near-term propulsion technology options. From this effort, hybrid rockets emerges as a promising but underdeveloped technology with great potential for cost-effective application. A dedicated research program was completed to characterize this potential. This research demonstrated that hybrid rockets offer a safe, reliable upper stage option that is a versatile, cost-effective alternative to solid rocket motors. Finally, an innovative technique was derived to parametrically combine the diverse cost dimensions into a useful, quantifiable figure of merit for mission and research planning. Overall, it is shown that the most cost-effective solution is found by weighing all options along the nine dimensions of the cost paradigm within the context of a specific mission.     

电推进在深空探测主推进中的应用及发展趋势

随着太阳能电池阵列电功率的不断增长,高比冲电推进在深空探测主推进任务中的应用成为现实,且有明显增加趋势。在我国实施两次月球探测任务之后,深空探测将成为我国航天领域的重要组成部分。从20世纪90年代末开始,美国、日本和欧洲相继发射了四个由电推进执行主推进的深空探测器-深空一号探测器、隼鸟号小行星探测器、智慧一号月球探测器和黎明号小行星探测器,极大地提升了深空进入能力,且获得了很多科学数据。本文分析深空探测主推进对电推进的需求,对电推进在深空探测主推进任务中的应用现状进行综述,分析关键技术和发展趋势,为我国深空探测推进技术发展提供参考。     

基于氢化镁的核电/核热双模共质空间核动力技术

针对未来空间任务对能源和动力日益提高的需求,提出了基于氢化镁的核电核热双模共质空间核动力技术。该技术以一种储氢密度高、热稳定性较好,能够以常温常压储存的氢化镁作为工质,通过核能加热后氢化镁分解成为核热推进可用的高压氢气和电推进可用的单质镁,并结合高效动态热电转换系统,形成大功率核电源、大功率超高比冲核电推进、高比冲氢气核热推进以及大推力镁核热推进多种工作模式。基于氢化镁的多模共质空间核动力技术解决了低温推进剂、气态工质在空间应用时的存储安全性和存储密度低的问题,其具备的多种工作模式能够针对不同任务需求提供相应的能源或者动力输出,提高核动力飞行器任务能力。     

离子推进及其关键技术

介绍离子式电推进的工作原理、性能参数、发展历史和现状。阐述了发展离子推进需攻克的关键技术，其中包括提高性能（比冲、推力、工质利用率等）、延长工作寿命、与卫星的相容性、离子光学系统等。     

太阳能热推进的研究与发展

概述了太阳能热推进(STP)的系统组成和工作原理,重点介绍了STP的研究进展、关键技术及其在潜在应用领域中的性能优势,关键技术有高性能太阳能主聚光器的研制和吸收器／推力室高温热结构的设计,并根据国外研究现状,提出了国内开展太阳能热推进研究的若干建议。     

MPT在探月中的应用方案初探

借鉴“东方红3号”卫星的推进系统组成和“SMART-1”探月器的飞行轨道,提出了2种微波等离子体推力器(MPT)应用于月球探测器的推进系统方案(即复合推进方案和统一推进方案),分析计算了MPT用于姿态控制时对推进剂耗量的影响及用于主推进变轨时推进剂耗量和飞行时间的变化,并讨论了MPT的电源系统带来的附加质量。结果表明,在付出一定飞行时间代价的条件下,MPT的引入将大大增加有效载荷质量。     

GEO卫星电推进与化学推进组合变轨方案研究

针对GEO卫星采用电推进和化学推进系统进行变轨的问题,在给定轨道控制模型的基础上,给出实现轨道半长轴、偏心率和倾角3个参数单独调整和联合控制的控制律。结合假设的运载火箭发射能力约束,给出航天器不同入轨高度对应的初始质量。以此为约束,给出化学推进和电推进不同组合的6种GTO向GEO转移方案,并对比分析各方案完成变轨所需的时间、推进剂、速度增量以及完成变轨后的质量剩余情况,研究方法可为电推进系统在航天领域的应用提供参考。     

国外卫星推进技术发展现状与未来20年发展趋势

新形势下航天技术的发展对推进技术提出了更高的要求,无论在技术的广度和深度上都是前所未有的,如15年以上静止轨道卫星和8年以上低轨道卫星对高性能长寿命推进系统的要求、电推进技术的应用、微小卫星轨道保持的应用和深空探测对先进推进技术的依赖等。本文从先进化学推进技术、电推进技术、微推进技术和新概念推进技术4个方面分析了国外卫星推进技术的发展状况,总结了未来20年卫星推进技术的发展趋势,给出了对我国今后技术发展的启示。     

低轨航天器磁推进方法

基于地球空间磁场的磁作用效应,提出了一类低轨航天器无工质消耗的磁推进方法,并对航天器的高度保持进行了研究。该方法具有作用机理明晰、物理结构简单、控制策略灵活等特征。以磁场对磁体作用的磁矩理论为基础,建立了带磁航天器飞行的磁推力模型,提出了基于磁力线追踪策略的轨道高度保持方法。利用熟知的IGRF11地磁模型,通过数值仿真计算,验证了磁推进方法对于600～1000km圆轨道航天器进行高度保持的有效性。