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。     

一种新型Z-Pinch PPT的设计和试验

提出一种基于Z-Pinch原理但无需火花塞而自点火新型微脉冲等离子体推力器（Z-Pinch SI PPT）。为了降低推力器的点火电压以及去掉尺寸减小和轻量化的限制,采用点火和放电一体化的改性聚四氟乙烯为推进剂,两个电极分别为钉状阳极和中心有孔的阴极。相比于传统Z Pinch PPT和平行板脉冲等离子体推力器,该推力器的优点是没有活动部件、火花塞以及为火花塞供电的电源,结构更加简单紧凑。目前研制的该型推力器本体尺寸包络仅有21mm左右,质量为15g。在保持较大推功比优势基础上,点火放电的电压峰值仅为同样自点火的同轴PPT的24%,气体PPT的2.4%。真空舱内多次点火实现累计脉冲1万多次的试验结果表明,该推力器点火电压为480V,推功比为17.83μN/W,平均推力为85.6μN。     

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。     

准互易光学电压传感器的电场计算与误差分析

针对一种新型的具有准互易反射式光路结构的光学电压传感器,设计了基于锗酸铋(BGO,Bi₄Ge₃O₁₂)晶体横向调制方式的高压探头.采用ANSYS有限元分析软件对所设计的高压探头进行电场计算,得到了探头内的电场及电势分布;讨论了探头内电场分布不均匀及干扰电场导致的测量误差.计算结果表明:标准条件下探头的最高可测电压不低于15 kV;电场分布不均匀导致光沿着晶体内不同路径传输时,电场强度对路径的积分结果即测量电压不同,影响传感器的稳定性和测量精度;探头内干扰电场导致0~5 kV范围内最大测量误差达1.2‰,这一测量误差对于2‰精度的电压传感器是不可忽略的.      

兰州空间技术物理研究所电推进新进展

兰州空间技术物理研究所是我国电推进技术研究和产品研制的主要单位。2014年兰州空间技术物理研究所在电推进发展中取得了多方面的重要进展,分别从空间飞行试验、型号产品研制、新产品开发、专业技术基础研究等方面进行了总结性的系统介绍。空间飞行试验包括了SJ-9A卫星离子电推进系统和XY-2卫星霍尔电推进系统,型号产品研制包括了DFH-3B平台首发卫星LIPS-200离子电推进系统、DFH-5卫星平台和全电推进卫星平台的LIPS-300离子电推进系统及LEO大型航天器主动电位控制系统,正在研发的新产品包括LIPS-200+,LIPS-100和LIPS-400等离子推力器及LHT-140霍尔推力器,电推进专业技术基础研究工作主要包括栅极组件工作寿命分析及概率性评估、放电室性能分析及优化以及基于等离子体能量沉积的推力器热分析等。     

霍尔推力器电磁辐射测量方案研究

电磁辐射特性的检测与评估是电推进系统与航天器系统间电磁兼容性研究的重要组成部分。电推进放电室和电子电路间电压、电流振荡引起强电磁辐射干扰,可能会对卫星平台及载荷运行产生不良影响,开展电推进电磁兼容性能测试试验十分必要。介绍了霍尔推力器电磁辐射测试系统研制方案,为优化霍尔电推进系统性能设计提供参考。     

GEO卫星电推进与化学推进组合变轨方案研究

针对GEO卫星采用电推进和化学推进系统进行变轨的问题,在给定轨道控制模型的基础上,给出实现轨道半长轴、偏心率和倾角3个参数单独调整和联合控制的控制律。结合假设的运载火箭发射能力约束,给出航天器不同入轨高度对应的初始质量。以此为约束,给出化学推进和电推进不同组合的6种GTO向GEO转移方案,并对比分析各方案完成变轨所需的时间、推进剂、速度增量以及完成变轨后的质量剩余情况,研究方法可为电推进系统在航天领域的应用提供参考。     

On high-altitude electric fields in the auroral downward current region and their coupling to ionospheric electric fields

The downward field-aligned current region plays an active role in magnetosphere–ionosphere coupling processes associated with aurora. A quasi-static electric field structure with a downward parallel electric field forms at altitudes between 800 km and 5000 km, accelerating ionospheric electrons upward, away from the auroral ionosphere. Other phenomena including energetic ion conics, electron solitary waves, low-frequency wave activity, and plasma density cavities occur in this region, which also acts as a source region for VLF saucers. Results are presented from high-altitude Cluster observations with particular emphasis on the characteristics and dynamics of quasi-static electric field structures. These, extending up to altitudes of at least 4–5 Earth radii, appear commonly as monopolar or bipolar electric fields. The former occur at sharp boundaries, such as the polar cap boundary whereas the bipolar fields occur at softer boundaries within the plasma sheet. The temporal evolution of quasi-static electric field structures, as captured by the pearls-on-a-string configuration of the Cluster spacecraft, indicates that the formation of electric field structures and of ionospheric plasma density cavities are closely coupled processes. A related feature of the downward current is a broadening of the current sheet with time, possibly related to the depletion process. Preliminary studies of the coupling of electric fields in the downward current region, show that small-scale structures are typically decoupled from the ionosphere, similar to what has been found for the upward current region. However, exceptions are also found where small-scale electric fields couple perfectly between the ionosphere and Cluster altitudes. Recent FAST results indicate that the degree of coupling differs between sheet-like and curved structures, and that it is typically partial. The electric field coupling further depends on the current–voltage relationship, which is highly non-linear in the downward current region, and still unrevealed, as to its specific form.     

离子发动机栅极系统中束流离子的三维模拟

应用网格质点法,对离子发动机栅极系统进行了三维数值模拟.模拟得到了离子发动机栅极系统中的电场分布、离子运动轨迹、离子在计算域内的空间分布和相空间分布等.计算结果表明,屏栅的离子透明度为69.3%,大于其物理透明度67.1%,加速栅的离子透明度为100%,远大于其物理透明度31.1%,说明所选模拟工况参数合理.模拟结果可以为离子发动机栅极的初步设计提供理论参考.