电负性气体等离子体推力器研究进展

目前广泛应用的电推力器中,大多采用加速单一正离子的方式来获得推力和相应比冲。该加速方式需要增设中和器,对喷射出的正离子进行中和以保持羽流电中性,否则将导致航天器自充电,对其通信和电子器件造成损害,并减弱加速场。为了简化系统结构,延长推力器寿命,提出了一种能够交替加速正、负离子来获得推力的电负性气体等离子体推力器。分析了该推力器的工作原理和加速过程,指明了包括电负性气体种类选取、电子过滤装置设计要求、如何施加周期性栅极偏置电压加速正、负离子以及合理诊断离子数密度等关键技术,为后续研究工作提供了参考。     

离子推力器羽流热效应仿真分析

离子推力器工作时向外喷出的羽流与航天器表面碰撞,会引起敏感材料热变形等热效应,严重时会导致航天任务失败。针对兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200型离子推力器羽流热效应进行了仿真分析。仿真中,使用粒子网格（PIC）方法处理等离子体运动,使用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法处理粒子间碰撞,使用Maxwell模型处理粒子与壁面的能量交换,对电推进羽流热效应测量中的部分测点进行了数值模拟。结果表明,仿真结果与实验数据符合较好,离子推力器出口轴线上滞止热流仿真值与实验测量值误差小于17.0%。此外,热流计对流场的影响主要集中在热流计附近0.1 m范围内,对整体流场影响较小。      

大功率轨道转移航天器全电推进系统研究

采用基于电推进的空间运输系统(转移级)完成使命,相对于采用化学推进可节省大量的推进剂,能够显著降低航天器的发射重量或者把更多的有效载荷送达探测目标地。调研了国外大功率电推力器的研究情况,针对近地空间的大功率轨道转移航天器任务需求,给出了电推进系统方案设计,并对采用不同性能指标推力器的多种方案进行对比,得到综合最优的方案。最后针对我国电推进技术发展现状,给出了我国大功率电推力器的关键技术和发展建议。     

空间核电推进系统比质量优化建模及其木星探测应用分析

空间核电推进(Nuclear Electric Propulsion,NEP)系统是一种将核热能转换成电能,并驱动大功率电推力器而产生推力的革命性空间推进技术。和传统推进技术相比,NEP具有高比冲、大功率、长寿命等技术优势,非常适合未来大规模深空探测任务。基于NEP系统组成和小推力轨道理论,建立了以有效载荷为目标的NEP系统比质量优化模型。该模型能够解析NEP航天器的轨道运行时间、比质量、功率与有效载荷比的复杂耦合关系,为任务优化提供了计算依据。最后,利用该模型对NEP系统完成NASA "Juno号"航天任务进行了技术指标评估分析。计算表明,当NEP系统比质量达到4.8 kg/kWe时,其能将"Juno号"航天任务的地木转移时间由2 266 d缩短至665 d,有效载荷由160 kg提高到1 179 kg,极大地提高了航天器的探测能力,为任务方案的可行性论证和后续设计提供参考。     

基于JEC-FDTD算法的等离子体天线雷达散射截面计算

采用电流密度卷积FDTD算法(JEC-FDTD)计算了等离子体天线的散射特性, 分析了等离子体天线处于工作状态时等离子体参数(密度、碰撞频率)及天线外部约束腔体对天线雷达散射截面(RCS)的影响. 数值结果表明, 等离子体天线的RCS会随等离子体密度的减小及碰撞频率的增大而减小. 而约束腔体只有在高频段时才会对等离子体天线的RCS值产生较大的影响. 因此, 在不影响天线性能的情况下, 可以根据信号频率调节等离子体参数、选取合适的腔体材料以达到增强等离子体天线隐身性能的目的.      

混合小推力航天器日心悬浮轨道保持控制

针对太阳帆、太阳电混合推进航天器日心悬浮轨道保持控制问题进行了研究。为解决基于局部线性化模型设计轨道保持控制器时存在的控制精度不高、模型精确性过度依赖等问题,应用自抗扰控制(ADRC)技术设计了轨道保持控制器。首先,采用圆形限制性三体问题(CRTBP)模型推导了混合小推力航天器日心悬浮轨道动力学方程;然后,考虑系统模型不确定性和外部扰动,提出了一种基于扰动估计和补偿的轨道保持控制方法;最后,数值仿真表明存在系统模型不确定性、初始入轨误差及地球轨道偏心率扰动等因素的情况下,所设计的控制器仅需很小的速度增量即可实现高精度的日心悬浮轨道保持控制。     

Flight safety oriented ice shape modulation using distributed plasma actuator units

Ice accretion on the wings seriously threatens the flight safety of an aircraft. From the perspectives of ensuring flight safety and saving power consumption, the ice shape modulation method using distributed plasma is proposed. Distributed plasma actuator units are designed to modulate the spanwise continuous ice at the leading edge into periodically segmented ice pieces, forming a wavy leading edge. Both airfoil and scaled aircraft model, with continuous and modulated ice, are experimentally investigated and simulated. Compared with the continuous ice, ice shape modulation can significantly improve the aerodynamic performance, flight control characteristics and flight safety. This method can save about half electric power, which is very beneficial for application.     

Suppressing unsteady motion of shock wave by high-frequency plasma synthetic jet

Three Plasma Synthetic Jet Actuators (PSJA) under the high-frequency actuation are used to control the Shock Wave Boundary Layer Interaction (SWBLI), a high-speed schlieren image processing method based on spatial Fourier transform as well as snapshot proper orthogonal decomposition were used to study the control effect of high-frequency plasma synthetic jet on low-frequency unsteadiness of SWBLI. The analysis of the base flow shows that the separated shock wave actually has both large- and small-amplitude vibrations at low frequency. And the results revealed that the PSJA with an operating frequency of 2 kHz has the ability to reduce the energy of low-frequency component of shock wave motion, indicating that the 2 kHz actuation can effectively suppress low-frequency unsteadiness of the separated wave. Compared with the actuation frequency of 2 kHz, the energy of low-frequency component of the shock wave is enhanced under the 8 kHz actuation, which aggravates the low-frequency unsteady motion of the shock wave. It is likely that the actuation frequency is too high, thus the intensity of the precursor shock wave induced by PSJA becomes weaker. Additionally, as the 4 kHz actuation is applied, the pulsation of the separation region was enhanced, it is speculated that the actuation frequency is coupled with the oscillation frequency of the separation region.     

混合推进最省燃料轨道设计方法

使用混合推进方式设计地-月圆型限制性三体模型下的最省燃料转移轨道。将化学发动机以及电推进发动机的燃料消耗总和作为目标函数进行优化,推导一阶必要条件和雅可比矩阵。选择从近地圆轨道出发到达地-月L1附近Halo轨道的转移轨道为例测试上述方法。仿真结果表明,相比发射脉冲固定的情况,混合推进方式进一步降低了燃料消耗,而且给出了飞行时间和燃料消耗不同的组合方式,给予任务设计更大的灵活性。     

地球轨道卫星电推进变轨控制方法

针对地球同步轨道（GEO）卫星,采用电推进系统完成转移轨道变轨。采用基于Lyapunov函数的反馈控制方法确定时间最短变轨策略。首先在开普勒模型下研究变轨过程,然后在开普勒模型的基础上考虑地球J2项摄动和地球阴影,最后在全引力模型下研究变轨过程,即在开普勒模型的基础上考虑地球非球形引力摄动、日月第三体引力摄动、太阳光压摄动和地球阴影。仿真结果显示在变轨过程中摄动项不可忽略,除地球J2项摄动外还应该考虑日月第三体引力摄动和太阳光压摄动。对比上述三组仿真结果,发现考虑摄动后轨道转移时间的增加比燃料消耗的增加更为明显。数值仿真结果表明本文研究对未来的全电推进任务具有良好的通用性和应用参考价值。