超低轨吸气式螺旋波电推进概念研究

文章提出一种超低轨卫星飞行轨道维持新概念——吸气式螺旋波电推进技术,将轨道残余大气作为螺旋波电离的工质,通过螺旋波加速电子形成的电双层加速离子产生推力,维持卫星在超低(180～260 km)轨道的长时间运行。吸气式螺旋波电推进的核心技术是采用收缩进气道与螺旋波电推进一体化结构,利用螺旋波电离产生的前向逃逸等离子体在进气道中形成预电离鞘层区,部分电离气体的密度扰动以离子声速向下游传播,导致进气道内不再出现激波界间断面,进入收缩进气道的气体被高效收集到螺旋波电离放电管,电离加速形成推力,来维持超低轨卫星的长时间在轨运行。     

螺旋波等离子体推进器原理研究

电推进作为一种新型推进技术已受到国内外航天界的广泛关注,且已成功应用于卫星、深空探测器等任务。在众多电推进器中,螺旋波等离子体推进器以其无须电极、比冲大、使用寿命长、性能高等优点成为近年来人们重点研究的对象。文章首先从螺旋波等离子体推进器的发展历程、研究现状和发展态势等角度进行了系统介绍;然后对此种推进器的结构组成以及推进原理进行了阐述;并对几种典型离子加速方式进行了研讨;最后对螺旋波等离子体推进器的应用前景进行了展望。     

基于环境工质的超低轨吸气式螺旋波电推进器仿真分析

为考察超低轨道高度环境下吸气式螺旋波电推进的可行性,基于180 km超低轨道高度环境工质,开展吸气式螺旋波电推进器的仿真模拟。进行以原子氧为工质,综合考虑碰撞、激发、电离等过程,通过13.56 MHz射频加热,由磁喷口完成推力输出全流程的仿真模拟。建立特定形态吸气式螺旋波电推进结构模型,结合不同功率的输入,分析功率沉积、等离子体参数分布和推力输出。结果表明,输入功率从200 W增加至2000 W的过程中,推力从6.00 mN增加至13.23 mN,能够满足0.226 mN的阻力补偿要求,可为超低轨吸气式电推进航天器设计提供参考。     

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。     

螺旋波等离子体推进器磁场仿真

推进工质电离、加速、喷出过程以及电羽流的污染控制等都与磁场密切相关。磁场位形的仿真设计对于提高螺旋波等离子体推进器的性能至关重要。基于等效磁荷方法建立了专门针对螺旋波等离子体推进器的三维磁场仿真模型, 计算出圆柱形与圆环形铷铁硼(Nd-Fe-B)永磁体组合产生的磁场位形及磁场强度分布特征。该模型为改进电推进器实验方案提供必要的参考和指导;通过大量仿真计算与分析, 从大量的磁铁构型方案中优选出合适的磁铁构型, 可以缩短螺旋波等离子体推进器的实验周期, 降低成本, 加快电推进器的研发进度。     

可变比冲磁等离子体火箭原理与研究进展

介绍了VASIMR的基本组成(螺旋波等离子体源、离子回旋共振加热系统I-CRH、磁喷嘴)及工作原理。可变比冲磁等离子体火箭(VASIMR)是一种基于可控核聚变思想发展的先进高功率电推进方式,具有高比冲、比冲可变等特点。通过分析系统的效率及关键技术,指出VASIMR研制最关键的问题是研制高性能的螺旋波等离子体源和提高ICRH的效率等,最后评估了VASIMR在空间任务中的优势。     

多种工质下螺旋波等离子体源波场结构数值模拟

针对螺旋波等离子体放电机理,开展了多种工质条件下的螺旋波放电等离子体内波场结构数值模拟研究。计算发现:氦气等离子体的Er分量在径向边界处的峰值更为突出,有利于等离子体在径向的输运,波电场径向分量决定了电流密度径向分量在内部的表现。在0.266 Pa和1.064 Pa两种气体压强条件下,通过波场结构验证了气压对于波阻尼影响的结论。波场结构是螺旋波在等离子体内传播以及能量沉积的微观体现,研究螺旋波波场结构是揭示其高电离效率的重要途径。初步探索了功率耦合机制,为实验系统优化及实验方案设定奠定理论基础。     

电推进真空热环境试验研究现状及关键技术

电推进是空间任务的重要推进手段,也是急需发展的空间技术之一。为了评价电推进装置的有效性和可靠性,需要在地面开展各种验证试验,其中有热环境试验。文章对电推进装置的热环境试验技术发展现状进行了跟踪研究,结合国外热环境模拟设备的研制使用情况,梳理出热环境试验相关的关键技术,就我国电推进热环境试验技术和试验设备提出了发展建议。     

电轨道转移发动机

电推进技术是一项已比较成熟的卫星轨道转移技术,已经在地面上进行了广泛的试验验证。但由于一直未进行实际使用验证,目前,还没有哪家用户愿意首先用它发射自己的卫星。美国空军和TRW公司现在正在准备对一种缩比型电轨道转移飞行器进行轨道飞行试验。本文介绍了该飞行器计划的基本情况以及电推进轨道转移的一些特点和发展状况,并与化学火箭轨道转移技术进行了对比。     

电推进羽流与航天器相互作用的研究现状与建议

电推进与传统的化学推进相比可以节约大量推进剂质量,被广泛用作地球同步轨道卫星南北位置保持和深空探测等任务的主推进系统。电推进器工作时产生的羽流与传统的化学推进器羽流有显著区别,电推进羽流对航天器的影响是进行卫星电推进器系统设计时需要重点关注的问题。文章讨论了电推进羽流对航天器的主要影响,介绍了国外在地面模拟试验、空间飞行验证和软件仿真技术等方面的研究现状,同时对国内开展羽流与航天器相互作用研究提出了建议。     

电动泵与挤压式推进系统对比研究

对电动泵和挤压式推进系统进行了对比研究,主要考虑了气瓶、增压气体、贮箱、电池和电机等因素对推进系统的影响,结果表明:相对于传统的挤压式推进系统,电动泵供应系统已经具有明显的优势,而且能够获得更高的综合性能;锂离子电池具有较大的能量密度和功率密度,更适合应用于电动泵供应系统;采用高性能永磁电机能够使得整个推进系统的质量更轻。在实际推进系统设计时,应综合平衡发动机推力、燃烧室压力和工作时间等参数的影响,才能有效地控制电池和电机的质量,保证整个系统具有较高的综合性能。     

国外多模式霍尔电推进发展概况及启示

多模式霍尔电推进具有多个工作模式,调节能力强,相对于20世纪80年代以来广泛应用的只有一个工作模式的霍尔电推进器,其优势明显,能很好地适应诸如GEO卫星轨道转移和在轨位置保持,以及深空探测器和空间运输平台的主推进等多种任务,因此得到了广泛研究和应用.国外多模式霍尔电推进发展现状和趋势对我国多模式霍尔电推进的发展具有重要的启示作用.针对我国航天器对电推进的迫切任务需求,定量分析应用多模式霍尔电推进的收益,提出我国多模式霍尔电推进发展的建议.     

电推进系统空间试验技术研究

电推进系统的相容性、空间推力/比冲等是空间应用关注的重要性能指标。根据电推进系统未来空间试验技术发展趋势,调研了国内外离子、霍尔电推进系统的推力、电磁兼容性、对卫星的污染等空间试验情况,结合我国电推进系统首次开展空间试验现状、电推进系统的布局,以及星上配备的卫星污染与电位监测器,对空间环境条件下卫星的污染、电推进自身及卫星设备的电磁兼容性、空间推力标定方法、推进剂剩余量分析方法等进行了研究。通过电推进系统在轨连续试验、电推进羽流影响等分析,得到电推进对卫星周围污染情况、电推进与卫星平台的电磁兼容性等在轨性能参数,可为全面评价电推进系统技术、科学制定电推进空间试验计划及电推进空间应用提供依据。     

美国AEHF军事通信卫星推进系统及其在首发星上的应用

美国先进极高频（AEHF）项目将采用4颗运行于地球同步轨道（GEO）的AE—HF军事通信卫星。AEHF卫星的推进系统由远地点发动机、姿态控制发动机组和双模式霍尔电推进子系统组成。首发星AEHF-1是世界上首个采用霍尔电推进系统执行发射后轨道提升任夯的GEO卫星。AEHF-1卫星星箭分离后,远地点发动机未能正常工作,因此...     

国外空间推进技术现状和发展趋势

空间推进技术通常可分为常规化学推进、电推进、微推进和新型推进4大类。常规化学推进是目前航天器的主要推进方式,性能继续提升。电推进已成功证明其优势和可靠性,在各种卫星和深空探测器上大量应用,且朝更宽泛功率的方向发展。蓬勃发展的微小卫星对微小推力、小质量、低功耗的微推进提出了迫切需求。无毒化学推进、太阳帆推进、核推进等新型推进技术正在加紧研制或进行空间飞行试验。首先综述国外卫星和深空探测器等航天器的各类空间推进技术应用和研究现状,然后分析其发展趋势,最后提出对我国空间推进技术的发展建议。