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)     

磁屏蔽霍尔推力器磁极腐蚀数值模拟研究

磁极腐蚀问题成为磁屏蔽霍尔推力器的主要寿命失效模式。为了研究磁极腐蚀的机理，本文基于粒子网格方法建立推力器放电的数值仿真模型，结合溅射模型模拟磁极腐蚀现象，统计磁极表面收集的入射离子运动状态，获取磁极腐蚀特性，据此探究磁极腐蚀的机理以及影响磁极腐蚀速率的因素。结果表明：磁屏蔽霍尔推力器出口倒角附近形成的高原子密度区同时也是径向电场占主导的区域，在此处电离产生的低速离子易于径向发散进而偏转向磁极方向运动。磁极表面腐蚀现象呈现径向分布不均的特点，内磁极附近轴对称电场对离子的作用是导致磁极中心腐蚀速率远高于其他位置的主要原因。     

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.      

霍尔推力器不同壁面侵蚀对低频振荡特性影响研究

基于霍尔推力器一维准中性流体模型,对放电壁面侵蚀对低频振荡特性的影响进行了数值模拟研究。通过改变霍尔推力器放电通道的横截面积,研究了霍尔推力器寿命期内通道受离子溅射后,放电电流振荡特性变化。研究结果显示,横截面积从25cm2增大到37cm2时,放电电流振荡幅值增加,振荡频率基本不变;继续增加横截面积,放电电流振荡幅值减小,振荡频率增加。理论分析表明:通道侵蚀面积增大,导致离子碰撞频率变化,进而引起振荡特性变化。     

聚焦磁场及发散磁场对霍尔推力器壁面侵蚀的影响研究

为了研究磁场对霍尔推力器壁面侵蚀的影响,利用轮廓仪测量霍尔推力器内外壁面工作30h的侵蚀状况,对比聚焦磁场和发散磁场条件下的推力器壁面侵蚀过程,分析了聚焦磁场改善壁面侵蚀的方式和程度,并进行了机理分析。实验结果表明:在经过30h的实验后,聚焦磁场相对于发散磁场内陶瓷壁面侵蚀深度降低33%,外陶瓷壁面侵蚀深度降低18.6%。理论分析表明:在羽流发散半角小于30°以内时,溅射系数随羽流发散半角增大而增大,将羽流发散半角控制在小于30°以内的"磁聚焦"模式,能够有效降低离子对壁面的侵蚀,进而可提高推力器寿命。     

磁零点及通道宽度对霍尔推力器性能影响的数值研究

磁场位形和通道尺度会改变霍尔推力器等离子体放电过程,影响推力器的宏观放电特性。为分析磁场和通道宽度对推力器放电性能的影响规律,本文针对霍尔推力器轴对称通道结构和放电物理过程建立2D3V物理模型,采用粒子模拟方法研究了霍尔推力器磁零点磁场位形不同通道宽度的电势、粒子数密度、电子温度、电离速率、比冲及推功比的变化规律,结果表明：在具有磁零点磁场位形下,随着通道宽度增加,通道出口处电势降增加,加速区缩短,离子径向速度减少,壁面腐蚀降低;当磁零点位置在内壁面,推力器通道宽度由14 mm增加到16 mm时,推力器比冲和推功比增大,推力器放电效率提高;当磁零点位置在通道中轴线或外壁面,且通道宽度大于14 mm时,推力器比冲增大,推功比减小,推力器效率下降。     

霍尔推力器放电室壁面溅射产额研究

霍尔推力器放电室壁面经受低能量(不大于300e V)离子的溅射是影响其寿命的关键因素之一。为了获得放电室壁面材料(BNSi O2)的溅射产额随离子入射角度和能量的变化规律,采用真实霍尔推力器提供275e V的氙离子在真空舱内轰击靶材,利用称重法获得实验参数下的溅射产额。为了克服单纯依靠实验测量耗时耗钱且更低能量的离子溅射实验测量误差会陡然增大的缺点,采用前面实验结果修正了基于蒙特卡罗(MC)方法的SRIM软件溅射产额计算参数,并采用文献实验结果对不同能量下的模拟结果进行验证。在此基础上,用SRIM软件较为详细地考察了入射离子能量低于300e V时入射角度和能量对霍尔推力器放电室壁面材料溅射产额的影响规律。结果表明,溅射产额随离子入射角度先增大后减小,而随入射离子能量则呈现增大的趋势,但当能量小于100e V时,溅射产额逐渐趋于一个非常小的数值。     

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PIC/MCC/DSMC方法霍尔推力器热分析

以提高霍尔推力器性能和使用寿命为目的对霍尔推力器进行了热分析。建立了等离子体在通道陶瓷壁面和阳极的能量沉积计算模型,并将模型耦合到PIC/MCC/DSMC流场计算程序中,计算加速通道壁面上的能量沉积分布。将计算得到的壁面能量沉积作为霍尔推力器温度计算的热流边界条件,考虑结构间的热传导与热辐射,计算温度分布。为了考察壁面的热流分布方式不同对温度场的影响,在总热流相同的情况下,将通道热流假定为线性分布与平均分布,计算霍尔推力器的温度分布。结果表明,壁面能量沉积占总功率的20.4%,陶瓷壁面能量沉积沿轴向位置先增大后减小,最大值在电离区。阳极的能量沉积,沿径向在中间位置达到最大,两端靠近壁面处较小。三种热流边界条件下的温度结果表明,三者最高温度都为700K左右,但高温位置不同,PIC热流边界条件下,最高温在电离区,而线性与平均热流边界条件下,高温区分别在出口区与近阳极区。通过与实验结果比较表明,PIC计算热流边界条件下高温区温度与测量者吻合更好,误差小于0.8%。     

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...     

霍尔推力器能量损失系统性评价方法

霍尔推力器典型效率在50%左右,其余能量在电离、加速、耦合等过程中耗散掉,为了明确推力器优化设计的重点方向,需要定量地研究各个物理过程中损失的能量。因此,本文从能量损失分析的角度入手研究影响霍尔推力器效率的典型物理过程及机理,建立了针对霍尔推力器能量损失的系统性评价方法,为霍尔推力器设计及优化提供理论支撑。从霍尔推力器能量转化过程入手,并以能量的最终作用对象及性质作为分类的标准,建立了新的能量损失体系,认为霍尔推力器损失的能量主要有：径向羽流动能、阳极沉积热能、壁面沉积热能、电离能、阴极耦合损失。针对各项损失能量建立了实验评估方法,实验结果显示,阳极热沉积、壁面热沉积、羽流发散导致的能量损失是制约霍尔推力器效率的主导因素,其占比分别达到5.2%、24.7%、6.1%。实验测得所有输出功率占输入阳极放电功率比例达到102.1%,经不确定度分析,认为是阳极热沉积、电离能、阴极耦合损失的高估导致的,但该方法诊断得到的各项损失相对数量级关系是确定的,利用实验校核了方法的可行性,为霍尔推力器性能以及设计水平的评价提供了新的视角。     

通信卫星推力器可靠性评估方法

针对通信卫星推力器服役寿命长、试验费用高、寿命试验所得数据通常较少等具体特点,提出一种推力器极少失效数据可靠性评估和寿命预测方法,并建立不同试验工况下试验信息的相互折算原则,有效解决了通信卫星推力器的高精度可靠性评估难题.对某型推力器脉冲试验和稳态试验数据进行了处理,分别给出其同步轨道运行可靠性和转移轨道运行可靠性评估结果.      

烧蚀模式激光推进的实验研究

采用CO2激光器和固体推进剂对三种构形的抛物型激光推力器模型进行了烧蚀模式下的单脉冲、多脉冲连续推进的对比实验,单脉冲实验获得的最高冲量耦合系数达到2.7×10-4N/W,对多脉冲连续推进时的冲量耦合系数有较大幅度的下降进行了分析,尝试采用PVDF薄膜传感器,测量了推力器内壁的瞬态压强,并采用热像仪对推力器的外壁温升进行了连续记录,为进一步研究激光能量转化为推力的机理以及热力冲击的影响提供了直接的数据。     

槽道式侧推器水动力性能研究进展和展望

侧推器在从事港口作业、科考、救援和海洋资源开发等具有较高操纵性要求的船舶和海洋平台上具有广泛的应用。本文分别对槽道式侧推器的水动力性能预报方法、螺旋桨设计、槽道口减阻降噪设计、做功能力影响因素、空化噪声和脉动压力、减摇作用以及操纵效能等方面的研究进展进行了回顾；重点对影响侧推器做功能力的因素进行了梳理，将其分为槽道口形状、槽道内流场情况、船舶航速与康达效应、槽道及船体形状、侧推器同其他推进器的相互干扰、自由液面和限制水域等几个方面，并对现有相关研究工作进行了阐述。最后对侧推器水动力性能研究方面需要进一步深化以及可以拓展的方向进行了展望。     

稳态等离子体推力器羽流仿真及其对微波的衰减和相移作用

为了评估稳态等离子体推力器（SPT）羽流对微波造成的衰减和相位变化,使用二维轴对称的PIC-DSMC方法,在空间及室压6mPa的真空舱两种环境下,计算了SPT-100羽流场中的电子分布。在此基础上,通过分析特征频率和计算衰减因子、相位常数,估算了2,4,8,12.5GHz共4个频率微波穿过羽流场时的衰减量和相移。8GHz和12.5GHz微波未发现明显的衰减,相移为10°～120°。2GHz和4GHz微波在喷口附近衰减量范围为10～50dB。仿真结果表明,C波段和S波段在SPT羽流中容易发生衰减,而X波段以上的高频微波衰减量很小,同时这几个波段微波均发生较大相移。真空舱内6mPa背压下对衰减量的预测仅略高于实际飞行情况,但微波相移会有较大误差。     

深海潜水器推进器故障诊断技术研究进展

推进器是深海潜水器主要执行且负荷最重的部件,对其故障快速准确诊断是关系深海潜水器安全运行的关键技术之一。深海环境的复杂和深海潜水器自身的非线性、强耦合和模型的不确定性使其故障诊断成为一个研究的难点问题。从深潜器推进器主要类型、典型的故障模式、推进器故障诊断技术等方面对当前深潜器推进器故障诊断技术研究进展进行了综述,并对深海推进器及其故障诊断技术发展方向进行了探讨。     

基于图像的腐蚀损伤及疲劳寿命研究

在实验室环境下,对航空LY12CZ铝合金试件进行了腐蚀试验,然后采用图像处理的方法,提取了孔蚀率、点蚀坑分形维数、点蚀坑半径3种腐蚀形貌特征值,通过灰色预测方法对腐蚀形貌特征值与腐蚀损伤之间的关系进行了研究,得到了基于形貌特征值的GM(1,3)腐蚀损伤预测模型。在此基础上,利用AFGROW软件建立了断裂力学模型,对不同腐蚀形貌特征条件下LY12CZ试件的疲劳寿命进行了计算与讨论。结果表明,试件的疲劳寿命与其表面腐蚀形貌密切相关,3种腐蚀形貌特征值均与试件的疲劳寿命负相关。此外,基于腐蚀形貌特征值计算得到的疲劳寿命值与利用实测点蚀坑深度计算得到的疲劳寿命值吻合较好,平均相对误差为8.84%。     

Numerical modeling of spacecraft electric propulsion thrusters

There is a clear current trend towards the replacement of small chemical thrusters used for spacecraft control by electric propulsion thrusters. These thrusters use a variety of mechanisms to convert electrical power into thrust and, in general, provide superior specific impulse in comparison to chemical systems. Electric propulsion has been under development for the last 40 yr, and almost all thrusters are designed based on experience and experimentation. The present article considers the progress made in numerical simulation of electric propulsion thrusters. Due to the wide range of such devices, attention is restricted to electric propulsion thruster types that are presently in use by orbiting spacecraft. The physical regimes created in these thrusters indicate that a variety of numerical methods is required for accurate numerical simulation ranging from continuum formulations to kinetic approaches. Successes of numerical simulation models are demonstrated through specific examples. It is concluded that numerical simulations can be expected to play a more prominent role in the design and evolution of future electric propulsion thrusters.