脉冲等离子体推力器内部流场的数值分析

应用所建立的广义拉格朗日乘子形式的磁流体力学模型对平行电极型脉冲等离子体推力器的内部流场进行了数值研究.对等离子体流动过程的分析表明,放电初期等离子体在很强的电磁力作用下高速喷出推力器,而到放电后期等离子体受到的气动力比电磁力大得多,等离子体的运动非常缓慢.电磁冲量占推力器元冲量的大部分,增强电磁加速作用可以进一步提高推力器的性能.     

超声电喷推力器的驻波特性

为研究超声电喷推力器(UAET)驻波尺寸特性的相关变化规律,建立发射极液面的液体振动数值模型,并开展驻波尺寸测量试验对数值模型进行验证。对比驻波间距的测量值与计算值发现,两者在变化趋势上可认为一致,且计算误差在6.55%以内。在此基础上,利用数值模型对不同波源频率、振幅下的驻波相关参数进行计算。实验结果表明,随波源频率升高,驻波间距、高度以及半径均下降,其影响机制在于频率主要对波纹形成时间产生影响;而振幅的升高对间距几乎不产生影响,仅会导致驻波高度和半径升高,其影响机制在于振幅对波纹形成应力产生影响。     

20 cm离子推力器羽流对微波通信影响的试验研究

离子推力器工作时产生的等离子体羽流会对穿过其间的电磁波产生影响。为了解通信微波在羽流中的传输特性,在带有透波真空舱的专用设备上进行了羽流对微波通信影响的试验。采用的方法是将一对发射和接收双脊喇叭天线口紧贴透波舱两侧并正对放置来测试穿过羽流的通信微波的变化情况。试验结果表明:在1～5 GHz微波通信频段范围内,离子推力器所产生的羽流对电磁波的波幅和相位影响较小,幅度衰减不超过4 dB,相位偏差不超过80°。     

欠驱动航天器姿态稳定的分层滑模控制器设计

利用分层滑模控制方法,为带两个控制执行机构的欠驱动刚体航天器的姿态控制系统设计了一种三轴稳定控制器。首先,给出了基于两个推力器的欠驱动航天器的姿态动力学和运动学模型,分析了其模型特点。其次,将子系统的变量进行组合定义成第一层滑模面,利用Filippov等效定理求出等效控制律。然后依次构造出第二层滑模面及第三层滑模面,根据滑模控制原理求出切换控制律,进而得到总的控制量。利用Lyapunov稳定性理论和Barbalat引理及推论证明了各层滑模面的全局渐近稳定性。仿真实验验证了该控制方法的有效性。     

基于推力器的组合航天器质量特性辨识方法研究

组合航天器的质量特性辨识对提高其姿态轨道控制的精度和快速性有至关重要的作用。对基于推力器的总质量、质心位置和惯量矩阵的在轨辨识进行了研究。基于推力作用下的平动方程可得到质心位置和总质量的耦合辨识方程,基于转动方程可得到转动惯量和质心位置的耦合辨识方程,通过对角速度和线加速度进行多次采样,利用最小二乘法求解这2类辨识方程可完成总质量、质心位置和惯量矩阵的在轨辨识。基于上述辨识原理,提出一种闭环稳定的解耦质量特性辨识方法,通过设计合适的推力器工作策略,实现总质量、质心位置和惯量矩阵的解耦辨识,并采用一种不依赖于转动惯量的控制算法,使组合航天器的姿态在辨识结束后恢复到稳定状态。仿真表明,采用闭环稳定的解耦质量特性辨识方法,可保证组合航天器在推力器激励后的姿态稳定性。在仿真采用的动力学干扰、推力器误差和敏感器误差下,总质量、质心位置和惯量矩阵的辨识精度可达到10-3量级。     

结构参数设计对微喷管性能的影响

微喷管设计加工方法不同于常规尺寸喷管,具有小尺寸、大面积-体积比的特点,内部流动雷诺数低,粘性力影响显著。为研究结构参数设计对蒸发液体微推力器喷管性能的影响,利用三维数值模拟方法研究不同扩张半角、面积比以及刻蚀深度对微喷管推力、比冲的影响。结果显示,增加微喷管扩张半角有利于降低粘性损失,最优扩张半角为30°,其数值大于常规尺寸喷管。增加面积比可以提高气体膨胀程度,但与之同时增加的壁面面积会增加粘性损失,推力、比冲先随面积比增加而增加,面积比为14时达到峰值,随后下降。增加刻蚀深度有利于减小扩张段壁面面积,提高微喷管性能。     

圆柱形霍尔推力器内等离子体数值模拟

利用一维磁流体动力学模型,对圆柱形霍尔推力器的放电等离子体进行了数值模拟。考虑了等离子体的电离、中和、碰撞、玻姆扩散及阳极鞘层的影响,由龙格-库塔方法得到离子速度、离子数密度、电子的温度等分布,其与实验结果有很好的一致性。经分析可知,此分布与电磁场的分布、粒子碰撞及电子阻抗等因素有关,并分析了电子温度分布、电子速度与电磁场的关系。结果表明,离子数密度沿通道方向增加,但在出口附近略有下降;而中性粒子数密度逐渐降低;离子速度在出口达到最大值,电子速度在下游有较大的梯度分布。     

脉冲推力器输出性能的影响因素

为了在脉冲推力器设计中获得合理的设计参数,采用推力测试装置直接测量推力器推力的方法,研究了在不同直径喷喉、不同厚度膜片、不同质量主装药下的推力和总冲。喷喉直径由3 mm增大到4.5 mm,在喉径4 mm时推力和总冲最大,表明喉径太大或太小时推力都不能达到最大值。膜片厚度由0.2 mm增大到0.5 mm,推力由325 N变为429 N,总冲由0.161 N.s变为0.216 N.s,表明增加膜片厚度,输出单调增大。主装药量由180 mg增大到420 mg,推力由144 N变为347 N,总冲由0.068 5 N.s变为0.172 N.s,表明增大药量,推力和总冲都增加。     

脉冲等离子体推力器羽流预测计算研究

为了能够将脉冲等离子体推力器成功地运用于空间,需对其羽流进行研究。将一维 MHD双温放电模型的计算结果作为入口条件,运用DSMC（Direct Simulation Monte\|Carlo ）／PIC（Particle in Cell）流体混合算法一体化模拟实验室PPT羽流。验证计算显示该模 型具有一体化模拟脉冲等离子体推力器羽流的能力。对不同初始放电能量下的羽流场进行模 拟,给出了离子、中性粒子、电子温度、轴线上质量流率和出口平面返流质量流率的变化情 况。计算结果显示高放电能量下返流量更大,同时中性粒子在返流中所占比例也越大。
     

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。