国外电喷推进技术发展与趋势

电喷推进是一种具有高比冲、高效率、快启动、高集成度的微小功率电推进技术,非常适用于微纳卫星轨道转移、位置保持任务以及引力波探测器等较大型航天器的高精度姿态控制、无拖曳控制等任务。电喷推进技术概念形成于1960年。国外电喷推进在经历了曲折的发展历程后,从20世纪90年代开始,在微制造、新材料、离子液体、高性能电源等技术大幅进步的推动下,取得了巨大进展,目前已经达到空间应用水平。美国、瑞士和英国研究电喷推进较为深入,其中又以美国投入最大、创新最显著、成果最丰富。美国麻省理工学院提出并开展了有利于实现高比冲和批产化的iEPS系列电喷推力器芯片研究,近年来主要开展推力密度和可靠性提升的研究工作。Busek公司主要发展大推力和宽调节电喷推进。密苏里科技大学提出并开展了基于含能液体推进剂的、具有化学推进模式和电喷推进模式的化电双模微推进技术研究。密歇根理工大学则提出了基于铁磁流体的流体成型发射体电喷推进技术。通过对国外电喷推进发展历程和最新进展的研究,提出了电喷推进发展趋势,并对我国电喷推进发展提出了建议。     

超声电喷推进机理研究

超声电喷推进是一种新型的电推进技术,主要用于解决胶体推力器等电推力器发射点集成困难、发射点数密度低的问题。通过将超声振动产生的大量微细驻波作为发射源,超声电喷推进将从根本上提高发射点的数目和密度,形成较大的推力密度。文章对超声电喷推进的发射机理进行了研究,得到相应的理论发射模型。通过对发射表面上微细驻波的形成过程、带电液滴的分离过程进行理论分析,建立了静电场条件下微细驻波波峰临界状态的平衡方程,推导出微细驻波波峰局部半径以及发射液滴尺寸的理论解,并提出了发射电流、比冲和推力的估算方程。在此基础上,分析了极间电场强度、超声振动频率、超声振动功率、推进剂性能黏度、推进剂表面张力系数和电导率对超声电喷推进性能的影响规律,并进行了试验验证。     

微推进系统的轨控发动机动态分析

近年来液体火箭推进系统的小型化有了极大的进展,这些先进的微推进系统是以尺寸小微型化、高压和响应快为特征的,对于这种微推进系统,推导、编制了系统各部件的数学模型,分析研究了轨控发动机在单脉冲工作进程中燃烧室压力和关机过程中推进剂阀门前压力的变化规律.为研究整个微推进系统的动态响应打下基础.      

超声电喷推进微细驻波形成及影响因素分析

对超声电喷推进微细驻波进行了研究,试验观测了微细驻波形成形态,并在不同频率下对比分析了微细驻波波长的理论值和试验值;同时分析了不同推进剂条件下,振动频率对微细驻波波长和形成驻波所需振幅的影响规律。结果表明：不同频率下,形成微细驻波波长的理论值和试验值具有较好的一致性;微细驻波的波长和振幅随着振动频率的增大而减小,同时推进剂的粘度越大,形成微细驻波所需的振幅也越大。     

试验中的反物质推进系统

最近美国加利福尼亚大学的科学家宣称 ,他们在距地球１５０光年的一颗恒星近旁 ,又一次找到了行星存在的直接光学证据 ,他们观察到这颗行星绕恒星运动时产生的“日食”现象。综观２０世纪 ,科学家已观测到许多恒星具有特殊的摄动现象 ,因而判定存在的行星已有近２０颗。接着 ,从１９９９年１２月２日起 ,不明飞行物从上海开始 ,出现在厦门、大连、武汉、长春、北京、台湾、汕头、重庆、郑州等地上空 ,其顶端似有圆盘状物体 ,尾部拖着两条很长的光带 ,呈燕尾形 ,橘黄色 ,像一个巨大的“Ｖ”字。对此ＵＦＯ众说不一 ,上海天文台的傅启承表示 :…     

激光烧蚀微推进技术研究现状及展望

激光烧蚀微推进技术是空间微推进技术中的一种,是基于激光推进原理的电推进技术,可用于微纳卫星姿态与轨道控制.回顾激光烧蚀微推进技术发展的历程,简述其推进原理涉及的基本理论,对激光烧蚀微推进领域涉及的技术方向研究现状进行探讨,对相关各种类型微推力器进行对比分析,结合激光烧蚀微推进技术的特点,分析激光烧蚀微推进技术发展趋势,...     

载人小行星探测推进技术初步方案设想

随着深空探测技术的发展,小行星探测已成为21世纪深空探测的重要内容之一,并逐渐由无人探测向载人探测发展。载人小行星探测由于航程远,任务周期长,对推进系统提出了更高的要求。1引言近年来,随着深空探测技术的发展,小行星探测逐渐成为深空探测的热点。各主要航天国都提出了相应的探测计划,美国已于2010年提出了载人登陆     

离子电推进技术:四十年坚守后的重大突破

不久前,实践九号A星携带的离子电推进系统首次点火成功,稳定工作3分钟,随后又进行了第二次点火,稳定工作了近4分钟,实践九号A星离子电推进系统飞行试验取得了开门红。40年磨一"箭"这是我国第一次在卫星上使用离子电推进系统。这个离子电推进系统由中国空间技术研究院510所研制,从预研到成功上天,该所的科研人员整整花费了40年的时间。整个离子电推分系统包括1个推进剂贮存     

一种推进系统故障诊断反问题模型与算法

针对大型液体火箭推进系统故障诊断工作的需要, 建立了一种推进系统故障诊断反问题模型,并提出了基于遗传算法的反问题求解算法.在对故障诊断反问题的特点与困难及其求解方法研究的基础上,重点论述了基于遗传算法的反问题求解算法和基本过程.最后,给出了液体火箭推进系统故障诊断反问题求解的具体例子,表明所建立的推进系统故障诊断反问题模型及所提出的算法是合理有效的.      

液体火箭发动机自动控制系统的过渡过程研究

以能多次启动的某泵压式液体火箭发动机的自动控制系统为研究对象,构造了液体火箭发动机自动控制系统的物理模型,并对其建立了非线性的数学模型.针对可能发生的干扰形式,以阶跃形式输入,进行了单干扰状态下动态特性模拟,计算方法采用小偏差法.通过对数学模拟的结果与从试验获得的数据进行比较,发现:当干扰信号在小范围内变化时,所建数学模型较精确合理,计算方法满足模拟要求.该工作对控制参数的优化选择和合理采用控制系统等具有一定的参考意义.     

空间电推进的推力测量方法研究现状

在空间电推进的研发和规划中,推力的精确测量具有非常重要的意义。近年来,随着电推进复杂程度和任务难度的不断增加,对其推力性能评价技术及方法提出了更高的要求。针对该需求,介绍了当前空间电推进的推力测量方法及其工作原理、技术特点和应用案例。测力方式主要有直接测量和间接测量,其中直接测量主要包括天平式、扭转式、摆式,间接测量主要包括靶式和悬臂梁式。通过对比分析各种测力方式之间的区别和优缺点,为开发者的测力系统设计提供了相应的参考。对测力过程中的系统设计、系统标定、系统响应、系统响应的测量以及计算推力五个环节中可能出现的各种关键问题分别进行了详细阐述,并提出针对性的改进方法,同时结合空间电推进领域的发展趋势及其对推力测量的需求,为未来的研究给出了针对性的建议。     

面向深空探测的电磁帆推进技术研究进展

电磁帆是一类利用太阳风驱动的无工质或少工质新型推进技术,在需要推力器长时间工作的深空探测任务中具有非常广阔的应用前景。首先介绍了电磁帆的基本概念和主要分类,其次分别介绍了电帆、纯磁帆和磁等离子体帆三类推进方式的系统组成和工作原理,重点介绍了各自的研究现状,并梳理出了相关关键技术,同时介绍了等离子体磁罩技术。最后对电磁帆推进技术研究进展进行了总结,为国内开展此方面研究提供了研究方向和发展思路。     

高精度霍尔电推进技术的应用与发展研究

在现代化全域通信导航的应用背景下,卫星平台所需具备的精确轨道预测与实时轨道控制能力对电推进系统的推力精度、分辨率等性能提出更高的要求,因此建设高精度的电推进系统具有非常重要的意义。通过对空间应用需求和电推进技术现状的分析,阐明了当前电推进技术的推力输出精度不足以支撑高精度连续导航、超低轨卫星实时阻力补偿以及高分辨率遥感卫星动中成像等空间任务的需求。在此基础上,以霍尔推进系统为研究对象,针对研制高精度推进系统的技术难点,从霍尔推力器技术、流量控制技术、电源及控制技术和试验验证技术四个方面阐述了国内外研究的现状,分析和探讨了关键技术的发展方向和研究思路,为高精度霍尔推进技术未来的重点研究和发展方向提出建议。     

空间引力波探测微牛电推进寿命评估研究现状

阐述了空间引力波探测任务中无拖曳控制技术对推进系统的特殊要求,介绍了目前主要的备选推进类型：冷气推进、离子电推进、会切型霍尔电推进、胶体电推进。针对面向空间引力波探测任务的电推进系统的寿命评估工作进行了任务分析,报告了目前微牛级电推进系统寿命试验研究现状,举例说明了目前主要应用的电推进装置寿命预测方式,包括半经验模型预测、数值模拟预测、基于数据驱动的预测以及系统层面的可靠性评估方法。对目前微牛级电推进系统的寿命评估研究现状进行总结,给出了发展思路。     

Time-optimal trajectories to circumsolar space using solar electric propulsion

The aim of this paper is to explore the capabilities of a solar electric propelled spacecraft on a mission towards circumsolar space. Using an indirect approach, the paper investigates minimum time of transfer (direct) trajectories from an initial heliocentric parking orbit to a desired final heliocentric target orbit, with a low perihelion radius and a high orbital inclination. The simulation results are then collected into graphs and tables for a trade-off analysis of the main mission parameters. Finally, a comparison of the performance between a solar electric and a (photonic) solar sail based spacecraft is discussed.     

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。     

基于高斯伪谱法的化-电混合推进系统转移轨道优化设计

提出利用化-电混合模式推进系统完成地球同步卫星轨道转移任务,该推进系统极具应用前景,能够满足高有效载荷率、高入轨精度的工程实践需求。并针对基于该混合模式推进系统的转移轨道的优化方法展开研究,提出一种多阶段最优控制问题（OCP）的高斯伪谱法求解方法。该方法通过分段点的关联设置,将多个经高斯伪谱法转化而来的非线性规划问题转化为一个连贯的非线性规划问题(NLP)。两个不同算例的仿真过程与分析结果表明,该方法能够有效地解决多阶段非光滑连接轨道的优化问题,具有运算效率高、收敛性半径大、求解精度高等优点,可便捷地处理化 电混合模式推进系统的转移轨道优化设计问题。     

微型镓场发射电推力器的研制和点火特性

为了满足立方星等微纳航天器对推进系统的需求,研制出中国首台针式微型镓场发射电推力器。通过提高润湿温度解决了真空环境下镓难以充分润湿钨针等问题。实现了推力器的稳定点火,测试了不同润湿温度和不同几何参数下的点火特性。得到了发射电流随润湿温度提高、极间距减小和吸极内孔直径的增大而增大的关系。通过公式计算,给出了不同发射电流下的理论推力。通过电场仿真得到不同几何参数下的电场强度,揭示了几何参数影响发射电流的原因。     

地球同步轨道卫星混合推进转移轨道特性分析

以地球同步轨道卫星转移轨道设计为背景,针对全化学推进燃料消耗大和全电推进转移时间长的问题,开展了化学-电混合推进转移轨道优化设计与特性分析。首先,讨论了轨道倾角和近地点幅角变化对混合推进转移轨道的影响。研究表明,在混合推进优化设计中需要将轨道倾角作为优化变量之一。然后,以近地点半径、远地点半径、轨道倾角为优化变量生成搜索网格,得到过渡轨道集。针对每条过渡轨道,构建化学推进转移段和电推进转移段。其中化学推进段采用单圈兰伯特转移解算,电推进段采用混合法优化。最后,以燃料消耗和转移时间为指标,在搜索域内开展解算分析,研究了混合推进轨道在整个搜索域内的变化趋势。该方法可以提供具有不同燃料消耗和转移时间的混合推进转移解集,拓宽了解空间,可供轨道设计人员根据任务约束灵活选用。