氙离子火箭发动机的羽流及其污染分析

在国外,针对特定的航天器,开展了离子火箭发动机羽流对航天器影响的的专项研究,国内还未开展氙离子火箭发动机的羽流分析及其对卫星太阳帆板的污染专题研究,受实验条件所限,缺乏必要的实验数据,并且也未能建立完整的理论分析手段.为此,本文主要借助于国外离子火箭发动机羽流的地面模拟分析和在轨实验结果,对氙离子火箭发动机羽流的污染进行简单的定性分析,并根据国外的研究经验,提出今后在氙离子火箭发动机羽流研究中需要进一步开展的研究工作.     

30cm离子推力器在轨环境下的工作点及热控措施研究

栅极间距变化是影响离子推力器在轨环境下从冷态条件正常点火启动的重要因素,同时也决定了离子推力器的在轨工作时机和热控实施策略。本文采用有限元仿真与地面热平衡试验验证相结合的方法,建立起30cm离子推力器有限元分析模型并进行了模型校验,之后对离子推力器在轨受太阳光照影响的栅极温度场分布和间距变化,以及推力器在5kW工况下的三个典型温度点所对应的栅极间距变化进行了仿真分析,最后考虑了主动热控干预对推力器最恶劣工作点的栅极间距变化影响。结果显示：纯太阳光照影响下的栅极组件存在周期性温度变化,栅极最大温差可达到100℃,栅间距缩小量在0.06mm~0.16mm范围内波动;在太阳光照基础上实施60W的主动热控后,栅极最大温差降低至60℃,栅间距缩小量波动范围则变为0~0.03mm;栅极最高温度点和最低温度点分别是推力器冷态启动最容易和最困难的两个工作时机点,两点所对应的启动后屏栅和加速栅最小间距分别为0.22mm和0.04mm;在10W、70W和120W的热控加热功率下,从最低温度点启动后的屏栅和加速栅最小间距分别为0.06mm、0.20mm和0.29mm;采取主动热控措施能够有效降低推力器工作过程中的栅极热形变位移峰值,且加热功率为120W即温控点温度为50℃的主动热控可以满足30cm离子推力器在轨冷态启动时的0.25mm安全栅极间距要求。     

离子推力器放电室参数在线优化实验研究

为了改进氙离子推力器传统优化实验方法,针对环切场放电室设计多维优化调节机构,通过步进电机配合电磁铁实现放电室设计参数的在线实时调节。实验中在线调节放电室长径比、中间磁极靴位置、阴极顶位置等参数,得到了放电室性能影响规律,经迭代实验获取了优化后的放电室构型及磁场参数。优化后的推力器性能曲线"膝点"较正交实验结果更加靠后,在工质利用率80%~90%区间内,束离子电离能耗低于正交实验优化结果。在线优化实验方法极大缩短了离子推力器设计周期,降低研制成本,并弥补了传统方法需多次破空导致参数一致性差的不足。     

小型感性耦合射频等离子体中和器的实验研究

为了研究适用于百瓦级电推力器的离子束流中和技术,基于电子鞘层模型、射频等离子体最优放电技术和通过插入探针实现快速点火的方法,设计了一套小型感性耦合射频等离子体中和器(RF plasma neutralizer,RPN)。实验研究了RPN中和器的稳定工作条件和电子引出特性,实现了RPN中和器稳定工作和电子有效引出。实验结果表明:电子引出特性主要取决于发射孔附近阳极斑的形成与否,而阳极斑的形成又主要受结构设计、工质流量和偏置电压等运行条件的影响;通过对RPN运行条件的优化试验,获得了55~150m A可调电子束流范围和较高的工质利用系数(3.9~10.5),满足离子束流中和需求;另外,实验中还观察到了电子束流随工质流量或偏置电压的迟滞现象。     

当量油气比对内燃波转子燃烧特性的影响

为了研究当量油气比对内燃波转子燃烧特性的影响规律,采用控制变量法,保持内燃波转子转速、混气填充速度不变,通过调节燃料喷射体积流量改变混气的当量油气比。在不同的当量油气比下开展内燃波转子燃烧特性试验。试验结果表明:当量油气比对于内燃波转子燃烧过程影响很大,随着当量油气比的增加,内燃波转子获得的燃烧压力增益增大,在内燃波转子转速为900r/min、混气填充速度为6.741m/s、当量油气比为1.442时,6个工作循环内平均燃烧压力增益达到246.29％,火焰平均传播速度随当量油气比呈类似正态分布,在化学恰当比附近达到最大10.8m/s。当量油气比小于1时,两组工况下火焰锋面呈向下倾斜状传播,当量油气比大于1时,两组工况下火焰锋面呈向上倾斜状传播。      

玉树地震前的电离层异常现象分析

分析了玉树地震前地基电离层探测临界频率、GPS TEC和卫星探测原位等离子体参量等多个参数的扰动变化信息, 研究了不同高度异常变化的时空关联性. 分析发现, 在地震前一天的4月13日, 多个电离层参量出现同步扰动异常, 电离层临界频率f₀F₂异常相对滑动中值增大40%, 异常空间上存在从震中东南向西南漂移的特性; GPS TEC异常增强15TECU (1TECU=1016m-2)左右, 分布于震中南部经度15°范围内, 且有明显的磁共轭效应; DEMETER观测的原位氧离子密度N_i(O+) 4月13日为1-4月中最强的一天, 异常分布偏向赤道区, 但仅局限在30°-50°左右的经度范围内. 综合三个参量的异常特征发现, 无论是空间的局地性还是时间上的密切关联均反映这次电离层扰动可能与玉树地震孕育有关. 结合其他观测信息, 进一步探讨了这次地震孕育过程的地震电离层耦合机理.      

电子回旋共振离子推力器栅极光学系统的PIC/MCC模拟

为了寻求日益昂贵的电推力器工质氙气的替代品,探讨氩气作为电子回旋共振离子推力器工质的适用性,采用混合PIC方法模拟了氩等离子体在栅极光学系统中输运过程,分析了氩离子束流的聚焦效果、氩等离子体的空间分布和流动特性。结果表明:氩离子束流在已有栅极系统中具有良好的聚焦效果;束流中CEX离子仅占离子总数的万分之一,影响较小;氩气作为工质时,离子喷射速度为75km/s,加速栅极后回流速度为38km/s,与电动力学理论预估值一致。     

空间流量调节阀的润滑

流量调节阀运动件较多,工作环境压力<10^-11Pa,流体润滑不适应该环境条件。阀芯与推进剂（N₂O₄和MON-1）接触,无成熟解决方案。本文提出的阀门运动件润滑方案,非接触介质运动件采用自润滑材料或固体润滑膜。阀芯润滑,提出了物理气象沉积类金刚石膜（DLC）、TiN-Au复合膜及单质纯金膜三种方案。通过试验研究,确定阀芯采用全新的润滑方式-离子镀金。     

高纬极区电离层中离子声波谱线增强的解释

大量的实验研究表明, 在顶部极光区电离层, 利用EISCAT非相干散射雷达和Millstone Hill雷达可以观测到不对称、增强的离子声波谱线. 考虑到低能H+离子束沉降到背景电离层, 以及电离层顶部O+离子的外流事件, 采用含有场向热流项的双麦克斯韦分布描述H+离子束的分布函数, 进而基于离子－离子双流不稳定性理论来解释增强的离子声波谱线. 场向热流的引入可以减小离子声波谱线的不对称现象, 这样得到的结果更符合实际.      

20 cm离子推力器电磁辐射试验研究

离子推力器工作时会产生对外电磁辐射,因此离子电推进应用于航天器时存在电磁兼容性问题。为初步了解离子推力器工作产生的电磁辐射特性,利用经改造后的地面专用试验系统进行了20 cm离子推力器电磁辐射测试试验。文章介绍了20 cm离子推力器电磁辐射的试验方案,采用两种形式进行:推力器电场辐射发射试验,测试频段为10 kHz～5 GHz;推力器瞬态电场辐射发射试验,测试频段为100 kHz～5 GHz。试验结果表明:在离子电推进稳态工作过程和几个瞬态工况点,未发生电磁干扰现象。