5kW离子电推进大功率屏栅电源的设计研究

本文针对航天器用5kW离子电推力器核心供电模块屏栅电源的技术需求,采用移相全桥技术设计了低电压输入高电压输出的大功率屏栅电源模块。对比分析了ZVS和ZVZCS两种移相全桥方案后,得出ZVZCS更适合于电推进屏栅电源的设计。提出了ZVZCS移相全桥变换器CDD无损缓冲电路中辅助电容的设计方法,论述了屏栅电源功率级和控制电路的设计过程。通过实物产品验证表明：采用ZVZCS移相全桥技术设计的屏栅电源模块能在较宽的负载范围内实现超前桥臂和滞后桥臂的软开关,提高了变换器的效率;采用CDD无损缓冲电路能辅助实现滞后桥臂的零电流关断,降低原边电流的损耗,同时降低高压整流管的电压应力。在具备完善的输入滤波,浪涌抑制及母线开关等功能以后,最大功率下效率在95%以上。     

电推进的现状与展望

小卫星的兴起将促进电推进的发展和应用。本文按电热式、静电式和电磁式三类电推进，分别简要回顾其发展历程，重点介绍目前正在空间使用的电弧式推力器和开始商业化的稳态等离子体推力器的发展现状。最后简述未来几种新型电推进的方案。     

阳极电流和屏栅电压对5kW离子推力器性能的影响

为了研究5kW离子推力器功率宽范围工作能力,采用试验的方法得到阳极电流和屏栅电压与其性能的影响关系。研究结果表明：离子束流随阳极电流增大呈线性增大。当屏栅电压增加时,推力器离子束流先增加然后趋于稳定,加速栅电流单调减小。推力随功率增大呈线性增长,比冲随功率的增大呈非线性增长,在功率308W~4813W下实现了推力12mN~184mN,比冲1817s~3538s, 效率34%~67%的宽范围调节。同时推力器效率随功率增大逐渐增大,并在2902W时存在明显拐点,在实际在轨应用中要根据任务需求确定最佳工作区间提高推力器性能和效率。     

离子推力器高效高可靠性屏栅电源设计

为了进一步提高离子推力器的可靠性和使用寿命,采用6个电源模块串联输出的方法设计了高效高可靠性的屏栅电源试验样机,每个模块采用全桥LLC谐振变换器,并对屏栅电源模块的性能、打火时开关管的瞬态电流应力分别进行了测试研究。结果表明：屏栅电源模块采用全桥LLC谐振变换器,可以实现零电压开通零电流关断（ZVSZCS）,整个电源的转换效率提高到96.9%;单个电源模块输出电压为210V,电源模块内部没有大于250V 的交流电压峰值,简化了高压绝缘设计的难度;变换器初级较大谐振电感的限流作用使得推力器出现打火时,开关器件瞬态电流仅为40A。该设计可以有效提高屏栅电源的效率和可靠性,可以应用于小行星探测等深空探测航天器的电推进系统。     

小功率电弧加热发动机试验参数测试和精度分析

建立了一套适用于小功率电弧加热发动机地面试验的计算机数据采集测试系统,叙述了发动机地面试验过程中各测量参数的测量原理、系统的软、硬件组成以及相关技术参数.对计算机数据采集测试系统各工作通道的测试精度进行了精度分析,给出典型的试验测试结果.分析结果表明,该套数据采集测试系统能准确测得小功率电弧加热发动机工作参数,解决了小功率电弧加热发动机地面试验参数测量过程中微小流量、微小推力测量的技术难题,反映出发动机地面试验状态,为深化展开发动机各项研究提供重要保障.      

脉冲等离子推力器羽流实验研究初探

脉冲等离子体推力器(Pulsed Plasma Thrusters,PPTs)具有体积小、结构简单、推力小、比冲高等特点,非常适用于目前正广泛开展研究的小型航天器的姿轨控系统,是电推进领域的研究热点之一。开展对PPTs羽流特性的研究是了解PPTs工作机理、分析其推力作用规律和探索性能提升方法的重要途径,本文对PPTs进行了概述,综述并分析了PPTs的羽流特点、研究现状,对实验中涉及到的羽流测量参数及方法进行了概括,对相关的等离子体诊断方法进行了重点介绍。     

Reconstruction of topside density profile by using the topside sounder model profiler and digisonde data

To improve the accuracy of the real time topside electron density profiles given by the Digisonde software a new model-assisted technique is used. This technique uses the Topside Sounder Model (TSM), which provides the plasma scale height (H_s), O⁺–H⁺ transition height (H_T), and their ratio Rt = H_s/H_T, derived from topside sounder data of Alouette and ISIS satellites. The Topside Sounder Model Profiler (TSMP) incorporates TSM and uses the model quantities as anchor points in construction of topside density (Ne) profiles. For any particular location, TSMP calculates topside Ne profiles by specifying the values of foF2 and hmF2. In the present version, TSMP takes the F2 peak characteristics – foF2, hmF2, and the scale height at hmF2 – from the Digisonde measurements. The paper shows results for the Digisonde stations Athens and Juliusruh. It is found that the topside scale height used in Digisonde reconstruction is less than that extracted from topside sounder profiles. Rough comparison of their bulk distributions showed that they differ by an average factor of 1.25 for locations of Athens and Juliusruh. When the Digisonde scale heights are adjusted by this factor, the reconstructed topside profiles are close to those provided by TSM. Compared with CHAMP reconstruction profiles in two cases, TSMP/Digisonde profiles show lower density between 400 and 2000 km.     

A Carbon Nano Tube electron impact ionisation source for low-power,compact spacecraft mass spectrometers

A novel ionisation source which uses commercially available Carbon Nano Tube devices is demonstrated as a replacement for a filament based ionisation source in an ion trap mass spectrometer. The carbon nanotube ion source electron emission was characterised and exhibited typical emission of 30 ± 1.7 μA with an applied voltage differential of 300 V between the carbon nanotube tips and the extraction grid. The ion source was tested for longevity and operated under a condition of continuous emission for a period of 44 h; there was an observed reduction in emission current of 26.5% during operation. Spectra were generated by installing the ion source into a Finnigan Mat ITD700 ion trap mass spectrometer; the spectra recorded showed all of the characteristic m/z peaks from m/z 69 to m/z 219. Perfluorotributylamine spectra were collected and averaged contiguously for a period of 48 h with no significant signal loss or peak mass allocation shift. The low power requirements and low mass of this novel ionisation source are considered be of great value to future space missions where mass spectrometric technology will be employed.     

驱动卫星捕获碎片的电子回旋共振离子推力器系统优化

近年来空间碎片数量急剧增加,已经对空间飞行器造成了严重的威胁。为此提出在碎片密集区域轨道(700km～1000km高度)的碎片处理方案,即利用微小卫星在电子回旋共振(ECR)离子微推进连续切向力作用下,不断进行轨道提升并进行碎片收集。基于此,进一步对电推进系统方案进行优化设计计算,在设计寿命1年的条件下,以推进系统质量最低作为优化目标,以加速电压和工质流量为变量,对电推进系统方案进行优化。最终得到的优化结果为工质流量0.25sccm (0.0244mg/s)、加速电压2488V时,推进系统总体最优,总质量7.288kg,推力器比冲2216s,推力535μN。     

三栅极离子推力器电子反流失效影响参数的敏感性研究

电子反流失效模式是离子推力器关键失效模式之一,决定推力器工作寿命。为明确各参数对电子反流失效模式的影响程度,确定加速应力,为地面加速寿命实验验证方案和长寿命优化设计提供数据支持,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。