离子推力器多模式化研究

为了实现离子推力器多模式化,分析了离子推力器功率宽范围调节限制因素,提出了两种宽范围调节策略;针对我国小行星探测任务,完成了30cm多模式离子推力器研制、功率宽范围调节限制条件确定、以及两种调节策略下多模式工作点设计及对比研究。结果显示,通过降低放电室磁场强度可延伸离子推力器最小稳定工作功率,提高束流均匀性,实现离子推力器更宽功率范围多工作点设计;功率宽范围调节主要是屏栅电压和束电流的宽范围调节,二者通过栅极导流系数限制和交叉限制而约束;推力随功率增加呈线性增加关系,比冲随功率的增加总体上呈先快速增加后趋于稳定的趋势;30cm多模式离子推力器在0.25kW～5kW内稳定工作,推力10mN～186mN,比冲1522s～3586s。     

配电方式对Kaufman离子推力器性能的影响研究

目前Kaufman离子推力器主要有两种最具代表性的配电方式:屏栅极电源正端分别连接阳极电源正、负端的配电方式。为了研究配电方式对Kaufman离子推力器工作性能的影响,基于等离子体理论和推力器工作原理,分析两种主要配电方式下放电室电极电势及电流平衡关系,推导了放电室等离子体特性表达式,理论分析了配电方式对离子推力器多种性能参数的影响。结合兰州空间技术物理研究所自研的LIPS300离子推力器在两种配电方式下工作在3kW和5kW的性能试验,通过解析方法对离子推力器多种工作参数和性能参数进行分析,试验结果与理论分析结果具有良好的一致性。研究表明:采用屏栅极电源正端连接阳极电源负端的配电方式能够获得更大的推力和比冲,并能提高离子对栅极透明度,减少离子对屏栅极的溅射,从而提高栅极寿命,但束离子产生成本稍高。研究结果可为离子推力器配电方式的设计与优化提供依据。     

MEMS固体微推力器阵列驱动控制系统设计与试验

为了实现MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)固体微推力器阵列准确可靠点火,阵列单元的点火驱动控制显得尤为重要。设计了驱动控制系统,由电源模块、驱动模块、10×10规模固体微推力器阵列模块、控制及通信模块组成,并分别对各个模块的设计进行了介绍。通过把各个模块进行一体化,设计了整机结构,并制备了原理样机。最后对原理样机进行了电爆试验、点火试验以及冲量测试试验,试验表明所设计的驱动控制系统功能完备,能够对阵列单元准确点火以及多单元同时点火,具有很高的可靠性,点火成功率100%。     

磁路温度对霍尔推力器放电热稳定性的影响

为研究磁路高温性质变化对霍尔推力器放电热失稳的贡献及影响机理,对不同磁路温度下推力器的工作磁场强度开展了实验测量,对磁路温度变化与通道内等离子体放电行为变化的交互影响开展了Particle-in-Cell数值模拟研究。实验结果表明,当磁路温度由室温升高到600℃时,推力器的工作磁场强度发生了衰减,尽管衰减量不大(约5%)。模拟结果表明,磁路高温引起的场强衰减改变了推力器放电时的电导率及电势分布,进而对电子能量各向分布、粒子密度分布等造成了影响,促进了电子在壁面的通量及能量损失,主导了壁面等离子体沉积功率的增加,从而进一步加剧了磁路温度的增长。这是一个具有正反馈性质的过程;因此,若不能通过外部手段有效控制磁路温度,将诱发霍尔推力器的放电热失稳。     

小功率氮电弧推力器的性能

采用自然辐射冷却结构的小功率电弧推力器,实现了以氮气为推进剂的长时间稳定运行。采用间接测力方法得到推力,利用铜镜反射法拍摄喉道处的放电状态,结合测量的弧电压、弧电流和气流量数据以及导出的比冲和推力效率,对推力器运行性能和放电特性进行了研究。结果显示:在气流量为100~700mL/min,输入功率为35~55W的条件下,最大推力约为24mN,最大比冲接近175s,当弧电流为80~120mA范围内变化时,弧电压变化范围为420~520V,并且弧电压随气流量的增加呈现出先下降后上升的趋势。      

微阴极电弧推力器的设计与试验

微阴极电弧推力器具有体积小、重量轻、功耗低、比冲高等优点,是微纳卫星空间推进的理想选择。为了研究其关键特性以及基本性能,设计了一套环形微阴极电弧推力器样机,包括推力器本体和功率处理单元。高速摄影对推力器点火的观测验证了磁场存在时阴极斑点的旋转,并获得了阴极斑点旋转速度与磁场强度的关系。通过飞行时间法、打靶法分别对离子速度、元冲量进行了测量,测量结果表明:推力器出口离子的轴向平均速度在15~30km/s,没有磁场时,元冲量为0.132μN·s,磁场强度为0.0457T时,达到0.262μN·s,推力器平均推力大小在μN量级。通过研究得到:微阴极电弧推力器烧蚀均匀,性能易于调节,适用于微纳卫星。     

一种基于动态补偿技术的微小稳态推力还原方法

新型微推力器是未来微纳卫星的生力军,其设计、研制和应用都离不开推力性能测量的工程支撑。在设计和研究阶段,新型微推力器稳态力输出时间与机械式直接测量系统稳态调整时间之间存在匹配问题,无法利用测量系统的稳态响应直接还原推力大小。提出一种基于动态补偿技术的稳态推力还原方法,通过分析稳态力工作时间、稳态力大小与测量系统稳态响应之间的关系,提出了动态补偿器的设计原则和推力还原步骤,并进行了实验验证。研究结果表明：当稳态推力实际工作时间大于测量系统周期的0.25倍,且小于测量系统稳态调整时间时,可利用动态补偿器设计原则建立新的等效测量系统,使最终的输出达到稳态,并利用最终的稳态响应均值还原推力大小。     

针式铟场发射电推力器的研制及实验特性 *

为了研制针式铟场发射电推力器实验样机,采用微细电化学腐蚀法制备了场发射电推力器的核心部件发射针,并对发射针进行了表面粗化以促进推进剂的输运,研究了真空环境中发射针的浸润方法,实现了推力器的点火,并测得了不同针尖尺寸的发射针的I-V特性曲线和推力值。实验结果表明,发射针针尖半径决定了点火起始电压的大小,针尖半径越小,点火起始电压越低;推力器样机有连续的推力输出,最大推力可达30μN。     

多模式离子推力器流率特性实验研究

为了实现多模式离子推力器在宽功率范围内最优性能和可靠性,基于30cm多模式离子推力器通过实验开展了阴极和中和器羽状模式转变点流率、放电电压30V对应阴极流率和放电损耗曲线与束电流关系研究。30cm多模式离子推力器束电流从0.3A增加到3.3A时,阴极羽状模式转变点流率值从0.017mg/s增加到0.163mg/s,放电电压30V对应阴极流率从0.129mg/s增加到0.231mg/s,中和器羽状模式转变点流率从0.030mg/s增加到0.191mg/s。随放电室工质利用率的增加,在小束电流下放电损耗迅速增加;当束电流大于1.5A时,放电损耗对放电室工质利用率的变化较为迟钝。基于上述流率特性实验结果完成了30cm多模式离子推力器宽功率范围35个工作点下最佳流率设计。在设计的工作流率下,放电电压小于30V,阴极和中和器均工作在点状模式,实测推力为9.6mN~185.2mN、比冲为1332s~3568s、功率为258W~4761W。     

基于正交试验法的FEEP聚焦电极阵列设计策略

为消除场致发射电推力器（Field emission electric propulsion,FEEP）羽流发散角度过大给推进器寿命和可靠性带来的不利影响,研究了聚焦电极阵列空间位置对羽流聚焦效果的影响,并通过正交试验法给出了最优电极分布。通过数值仿真对FEEP的离子运动过程建模,采用正交试验方法电极阵列进行研究,关注其在不同空间位置下的聚焦效果,得到了离子出射半角分布和推力大小。结果表明,聚焦极的位置决定了羽流的聚焦效果,其次是提取极和加速极;聚焦极径向距离发射极1600μm,且提取极径向和轴向坐标为（800μm,500μm）时能得到最优的聚焦效果。本文验证了正交试验方法在聚焦电极阵列设计上的可行性,同时还为聚焦电极阵列设计提供了有效的分析方法和设计策略。