大功率离子推力器和流动控制单元验证现状 及其2000小时寿命试验

为了发展基于电推进的大功率空间运输系统,需要开发和验证功率达数十千瓦的电推进系统,深空任务电推进系统优化的比冲要求高达10⁵s。凯尔迪什研究中心（KeRC）正在开发这样的电推进部件。本文概述了 35kW离子推力器 IT-500及其流动单元FCU-500的验证现状。作为其验证的一部分,完成了IT-500 和 FCU-500的2000h寿命试验。其中,离子推力器大部分验证条件是：输入功率17.8kW,使用了40kg氙,2018h寿命试验。本文介绍了磁场和离子光学以及石墨格栅开发现状。     

离子推进器和流量控制单元

使用电动电源线确保使用电力,它等于几十千瓦。 建议它应该高达10000秒。 Keldysh研究中心（KeRC）正在开发推进系统。 35千瓦离子推进器和FCU-500流量控制单元。 IT-500和FCU-500的2000小时寿命测试是 离子推进器大部分运行2018小时,使用40千克氙气。 本文还介绍了磁场和离子光学的改进以及石墨网格的发展状况。     

静态等离子推力器研制近况

据报道，2000年静态等离子(霍尔)推力器的研制继续取得进展。美国空间系统／罗拉尔公司(SS／L)正在整机集成经过鉴定的SPT-100系统，以用于电信卫星8号和IPSTAR的位置保持，准备在2002年～2003年发射。相应的子系统包括4台俄罗斯法拉尔联合体的推力器和两台SS／L电源处理单元。大西洋研究公司作为主承包商的4.5 kW级SPT-140，由法克尔研制推力器，SS／L负责设计与制造电源处理单元。在2000年中，已完成电源处理单元样机与推力器的整机集成试验，2001年春开始7 200 h的寿命试验。由NASA-Glenn、特雷伍德系统公司和美国空间电源公司研制的10 kW级T-220霍尔推尔器，2000年内完成了1 000 h的寿命试验，实现了高功率霍尔推力器迄今最长时间的运行。NASA的双模态工作D-80霍尔推力器，已实现比冲为1 500 daN*s/kg～3 300 daN*s/kg、功率在1 kW～8 kW范围的运行。Busek公司正在研制一台比冲在1 200 daN*s/kg～2 400 daN*s/kg、额定功率为8 kW的推力器；Prime宇航公司研制的双模态霍尔推力器也已实现了2.0 kW～4.5 kW范围内的工作。在低功率级霍尔推力器方面，Busek已研制了一台200 W级的推力器系统；BHT-200的延寿试验证明，达到了1 500 h～2 000 h。 在欧洲，用于法国技术试验卫星的PPS-1350推力器已完成寿命试验，将在2001年上半年进行飞行。在SMART-1技术论证任务中，PPS-1350将用作轨道空间主推进系统。 (本刊通讯员)     

中国电推进技术发展及展望

为了促进国内电推进技术的发展,简要介绍了国际上主要电推力器的种类和特点,并结合国外电推进技术的研究及在轨应用情况,介绍了中国电推进技术发展过程和应用现状,总结了国内外电推进技术的发展趋势。在此基础上,根据国内深空探测、商业航天、重力场测量、引力波探测等空间任务对推进器的高比冲、长寿命、宽调节范围、低成本、高精度等需求,提出了国内电推进技术应该将小型离子推力器、大型霍尔推力器、脉冲等离子体推力器以及无拖曳控制推力器作为重点发展方向的建议。     

离子推力器极少数据可靠性评估方法

针对只有两台离子推力器进行寿命试验,试验结果为极少失效数据的情况,建立了一种离子推力器整机可靠性评估方法.通过引入区间统计量的概念,充分开发从最后一个失效数据继续试验到没有发生产品失效这一重要试验信息,由高斯-马尔科夫定理计算出寿命分布参数的最佳线性无偏估计,并给出离子推力器可靠度和寿命的单侧置信下限.最后,对美国NASA研制的型号为XIPS-13的离子推力器进行可靠性评估,得出了其寿命需求10000h的可靠度单侧置信下限为0.87及给定可靠度为0.9时的寿命单侧置信下限为9024.6h,该方法精度较高,便于工程应用.      

离子推力器栅极极限寿命优化

离子推力器的极限寿命最终取决于栅极的极限寿命。针对LIPS-200离子推力器延长寿命到20000h以上的工程应用需求,在分析离子推力器极限寿命所对应关键失效模式及磨损机理的基础上,基于加速电压能够有效调节关键失效模式发展进程的工作机制,提出了具有普适性的离子推力器栅极极限寿命优化的恒定加速电压方法和步进调节加速电压方法。结合LIPS-200离子推力器寿命试验的过程及最终结果数据,在完全继承推力器现有技术状态和成熟度的前提下,采用恒定加速电压方法可以将推力器的极限寿命从现有的14649h提高到17300h,采用步进调节加速电压方法可以将推力器极限寿命提高到20400h,从而实现LIPS-200延长寿命目标。     

霍尔电推进离子能量后加载设计及工作特性

典型的全电推进通信卫星通常设计使用寿命约为15年,对霍尔电推力器的使用寿命要求达到了104h量级,因此,长寿命设计技术是影响其能否工程应用的关键技术.简要调研了国内外霍尔推力器延寿技术的发展,分析得到壁面及磁极腐蚀程度是影响推力器寿命的核心物理过程.通过分析推力器放电过程离子加速场的建立过程,提出一种具有离子能量后加载...     

30cm离子推力器三栅极组件设计参数对寿命的影响研究

为了研究30cm离子推力器三栅极组件设计参数对预估寿命的影响,在完成失效模式分析的基础上,通过PIC-MCC方法对离子推力器三栅极组件的离子溅射速率进行了计算,建立起栅孔二维寿命预估模型,并针对栅极设计参数对预估寿命的影响进行研究。结果显示:导致三栅极组件的主要失效模式为5kW高功率模式下的离子直接轰击所造成的栅极早期结构失效,且减速栅的过快离子溅射腐蚀成为影响三栅极组件寿命的关键,而不同工作模式不会产生新的失效方式,仅影响栅极的离子溅射速率以及寿命;在现有三栅极设计参数条件下,当推力器工作时,栅极引出的离子束流处于明显欠聚焦状态,且加速栅寿命预估值约为9062h,而减速栅约为2642h;通过PIC-MCC方法得到的栅极三个关键设计参数对寿命的影响模拟结果显示,降低加速栅电压对提升减速栅寿命的作用较小;缩小加速栅与减速栅冷态间距后,离子溅射速率会随着冷态间距的缩小逐渐降低,冷态间距由1mm缩小至0.6mm后,减速栅在5kW工况下的工作寿命可提升至10726h,且经试验验证该间距可满足推力器力学环境试验要求;缩小屏栅孔径对改变离子束流引出形状具有显著作用,单孔束流发散角度随着屏栅孔径的缩小出现了明显降低,且束流离子几乎不会再直接轰击至减速栅上游区域,当屏栅孔径由1.9mm缩小至1.6mm后,减速栅工作寿命可提升至9259h;分析结果对后续开展栅极组件的寿命优化设计提供了参考。     

基于Matlab/Simulink的离子推力器输入参数设计模型研究

离子推力器的输入参数设计直接决定其工作性能以及寿命,为了有效降低在前期设计阶段,由于输入参数设计缺陷导致的输出性能和预估寿命不一致性,以及后期优化改进所带来的风险及高昂成本,根据离子推力器工作过程的宏观描述以及寿命理论预估方法,基于Matlab/Simulink建立起离子推力器输入参数设计模型,实现了根据推力、比冲、效率等设计指标完成输入参数计算以及寿命预估的目的。结果显示:以30cm离子推力器为例,根据参数设计模型得到5kW额定工况下的关键输入参数与目前实际输入参数的比对误差均在5%以内,而模型得到的关键指标参数与冷启动试验测试值的比对误差同样在5%以内,3600h后的加速栅孔径刻蚀计算结果与试验结果比对误差在10%以内,证明了离子推力器输入参数设计模型的合理性,输入参数设计模型可用于后续同类型离子推力器的早期输入参数确定以及设计指标匹配性评价。     

两种会切场离子推力器对比研究

环型会切场离子推力器和柱型会切场离子推力器是当前广泛应用和研究的两种会切场离子推力器。基于30cm环型会切场离子推力器LIPS-300H和30cm柱型会切场离子推力器LIPS-300Z,对比研究了两类会切场离子推力器各自优劣及其机理。首先分析了两种会切场原理,总结给出了两种会切场差异,然后实验对比研究了两种会切场离子推力器束流均匀性、放电效率和寿命。实验结果显示：LIPS-300H相比LIPS-300Z在3kW和5kW工况下束流密度峰值分别降低25%和19%,放电电压分别降低7.8V和6.2V,放电损耗分别增加20W/A和32W/A,屏栅预测寿命分别增加6.7倍和3.2倍。试验结果表明：虽然LIPS-300Z比LIPS-300H具有放电损耗低的优点,但其较差的束流均匀性,较高的阳极电压和双荷离子比,使其在寿命和可靠性方面劣于LIPS-300H。     

基于加速栅溅射腐蚀失效的离子推力器寿命预测

离子推力器加速栅溅射腐蚀失效是制约离子推力器寿命的关键失效模式之一.针对离子推力器长寿命、多功率条件下运行的特点,基于坑和凹槽的溅射腐蚀数据,建立模型对其进行寿命预测.通过研究离子推力器加速栅中心凹槽腐蚀深度在不同功率段下随工作时间的变化规律发现:运行功率顺序对加速栅凹槽腐蚀率影响较小,进而采用累积损伤理论建立离子推力器多功率段下运行的寿命预测模型.最后, 对美国的NASA's Evolutionary Xenon Thruster(NEXT)进行了寿命预测,预测结果寿命为46041h,与试验结果符合较好.      

配电方式对Kaufman离子推力器性能的影响研究

目前Kaufman离子推力器主要有两种最具代表性的配电方式:屏栅极电源正端分别连接阳极电源正、负端的配电方式。为了研究配电方式对Kaufman离子推力器工作性能的影响,基于等离子体理论和推力器工作原理,分析两种主要配电方式下放电室电极电势及电流平衡关系,推导了放电室等离子体特性表达式,理论分析了配电方式对离子推力器多种性能参数的影响。结合兰州空间技术物理研究所自研的LIPS300离子推力器在两种配电方式下工作在3kW和5kW的性能试验,通过解析方法对离子推力器多种工作参数和性能参数进行分析,试验结果与理论分析结果具有良好的一致性。研究表明:采用屏栅极电源正端连接阳极电源负端的配电方式能够获得更大的推力和比冲,并能提高离子对栅极透明度,减少离子对屏栅极的溅射,从而提高栅极寿命,但束离子产生成本稍高。研究结果可为离子推力器配电方式的设计与优化提供依据。     

大功率等离子体电推进研究进展

大功率等离子体电推进具有推力大、比冲高、效率高、尺寸小等优势,是载人深空探测任务最具竞争力的推进技术之一。针对稳态等离子体推力器、阳极层推力器、磁等离子体动力推力器、可变比冲磁等离子体推力器和螺旋波推力器等,对等离子体电推进的国内外研究进展进行了论述。从大功率等离子体推力器、超大容量推进剂贮存与供应、大功率高电压电能变换与供应、大功率等离子体推力器试验验证等角度分析了大功率等离子体电推进的关键技术,对我国大功率磁等离子体电推进的发展提出了梳理需求、制定技术路线、提升成熟度和进行集成演示等建议。     

10cm氙离子推力器变推力特性研究

非重力阻尼的连续、快速、高精度补偿是实现重力梯度测量卫星精细重力场测量的关键技术之一,直接影响到整星工程任务的成败。针对重力梯度测量卫星在轨飞行期间对电推进系统宽范围连续变推力能力的应用需求,分析了10cm氙离子推力器推力调节响应特性。在此基础上,通过对阳极电流、励磁电流和阳极流率等推力高敏感响应参量的组合调节,开展了推力调节试验研究,验证了10cm氙离子推力器宽范围连续变推力调节能力,获得了1～20mN范围内的推力调节性能及其变化规律。试验结果表明：在采用地面供电、供气设备条件下,10cm氙离子推力器能够在100～597W的功率范围内实现0.98～20.29mN的推力宽范围调节,比冲175～3500s,推力分辨率优于50μN。研究为建立10cm氙离子电推进系统的推力控制数学模型及调节控制算法奠定基础。     

基于12U标准立方体星的μ-PPT电推进系统研制

为了研究针对翱翔三号12U标准立方星应用的5W级μ-PPT电推进系统技术,分别对推力器、点火系统以及储能供电系统进行了研究,获得了一个轨控喷头和两个姿控喷头在1U体积下的狭小空间推力器微小集成化设计以及点火系统和储能供电系统的高可靠长寿命设计。以此为基础,依据任务分析,完成了μ-PPT电推进系统产品研制,对其进行了性能测试、环境试验以及寿命试验验证研究。试验结果表明:在系统功率小于5W和系统重量不大于2kg情况下,实现了元冲量40μN·s,比冲600s,总冲量大于60N·s的性能参数,并能够在力、热等环境试验后保持性能基本不变,并以飞行状态完成了220万次的地面1:1寿命考核,且寿命周期内的元冲量及比冲等性能参数偏差在10%以内。     

三栅极离子推力器电子反流失效影响参数的敏感性研究（空间推进专刊）

针对电子反流失效模式主导的三栅极离子推力器加速寿命试验加速应力选择及长寿命优化,需要开展影响参数的敏感性对比研究,采用Hybrid-PIC-MCC（Particle in Cell- Monte Carlo Collision）方法,构建了三栅极系统数值仿真模型。采用模型研究了地面真空舱本底压力、屏栅电压、加速栅电压、屏栅与加速栅间距、屏栅上游等离子体密度和放电室工质利用率等参数的影响敏感度对比。研究结果显示真空舱本底压力可以作为加速寿命试验的首选加速应力,在推力器结构和工作本征参数中工质利用率为最敏感应力,其次是屏栅电压、屏栅上游等离子体密度、加速栅电压、屏栅和加速栅间距。研究结果为三栅极离子推力器地面加速寿命试验验证方案设计和长寿命优化设计提供了数据支持。     

离子推力器加速栅寿命概率性分析

交换电荷离子对加速栅极的溅射腐蚀是离子推力器的关键失效模式之一,基于交换电荷离子对加速栅溅射腐蚀的物理机理,对离子推力器加速栅工作寿命进行了概率性建模。利用该模型对20cm Xe离子推力器加速栅寿命和其达到预期寿命的可靠度进行了评估。结果显示加速栅的寿命近似服从高斯分布,当推力器工作环境压力近似6.7×10-3Pa时,加速栅工作寿命达到3kh的可靠度为0.9352。     

基于半经验模型的霍尔推力器壁面腐蚀形貌预测方法研究

为了研究霍尔推力器通道壁面溅射腐蚀对于推力器寿命的影响,针对霍尔推力器通道壁面溅射腐蚀演化过程,建立了预测推力器腐蚀形貌的半经验模型。该模型根据试验测量形貌数据,反推离子源模型,结合腐蚀速率公式,对霍尔推力器的壁面形貌进行演化预测。分别以SPT-100,T-220及KM-45短时间的壁面形貌作为输入条件,对不同功率量级推力器的壁面腐蚀过程、预测误差和腐蚀速率进行了研究。数值模拟结果表明,对于10kW级T-220,1kW级SPT-100以及百瓦级KM-45推力器,壁面形貌的平均误差分别为2.65%,2.88%和3.64%。推力器壁面形貌的预测结果与实际测量值基本一致,该模型可用于霍尔推力器壁面形貌预测以及寿命预估。     

螺旋波等离子体推进研究进展

螺旋波等离子体推力器是一种新概念磁等离子体推进装置,以其电离率高、无电极烧蚀、寿命长、比冲高等优点受到国内外学者的广泛关注,该新型推力器在未来长寿命深空探测器和卫星的动力系统中具有广阔的应用前景。概述了螺旋波等离子体推力器的系统组成和工作原理、重点介绍了该推力器的研究进展、现状和关键技术,总结了国外在研的四种典型的推力器结构类型,并根据实际情况,提出了国内螺旋波技术在电推进领域的研究方向和发展思路。     

离子推进系统仿真与故障诊断研究

离子电推进系统由于组成复杂，发生故障的概率大大增加，通过系统仿真并在此基础上开展故障诊断研究，对于识别故障原因及保障离子推力器系统正常工作具有重要作用。本文结合离子电推进系统各子系统数学模型，利用Matlab/Simulink实现了离子推力器系统仿真模型，基于LIPS-300离子推力器数据，对其性能进行了仿真，仿真模型输出结果与相关文献中已有的结果一致。采用该系统仿真模型结合故障因子，对故障状态的离子推力器系统进行了仿真，利用得到的故障数据与Matlab神经网络工具箱建立了离子推力器故障诊断系统。利用仿真模型额外生成另一组已知对应故障模式的故障状态运行数据，并利用该组数据对故障诊断系统进行了诊断能力测试，系统诊断结果与其已知对应故障模式相比，正确率为93.8%。