超精密微牛级微波离子推进技术及其在卫星超精度控制中的应用研究

空间技术的快速发展使得利用空间卫星的编队飞行构建大型空间星座成为可能,在引力波探测、射电望远镜编队、星座组网等任务方面具有重要作用。超精度控制是实现卫星高精度编队飞行的关键技术。推进系统是实现卫星编队长期高度稳定飞行的保证,从而实现内部科学装置的正确运行。不同于常规的推进系统,卫星精密编队超精度控制对推进系统的推力可调范围、分辨率、响应时间、推力的一致性等有着极高的要求。根据卫星精密编队任务需求,对微牛级推进系统的功能及技术要求进行了分析,提出了基于M2微波离子推力器的卫星超精度控制推进系统。阐述了M2超精密微牛级推进系统的关键技术和研究进展,为后续M2推力器在无拖曳控制方面的应用奠定了基础。     

面向深空探测的30cm离子推力器寿命预估

为评价30cm离子推力器的寿命,提出了有限寿命考核结合栅极仿真模型的推力器寿命预估方法,利用粒子-蒙特卡洛（PIC-MCC）方法建立了栅孔溅射腐蚀模型,开展了30cm离子推力器寿命预估研究,分析了栅孔刻蚀速率、单孔电场及离子引出特性,给出了30cm推力器寿命预估值。结果表明,栅孔直径仿真与实测值一致性较好,误差在20%以内,基于每个寿命小节栅孔实测值对模型的修正是有效的;根据仿真结果,10000h寿命考核后,减速栅最先失效,30cm离子推力器在最大功率（3kW）工况下预估寿命为37540h,能够满足小天体探测任务对电推进系统的长寿命需求。     

卫星490N发动机安装位置优化研究

针对490N发动机推力在卫星变轨过程中不能始终通过卫星质心,由此形成额外力矩对卫星姿态控制造成干扰的问题,文章提出了一种根据发动机推力偏斜和卫星质心位置变化情况,优化发动机安装位置的方法。此方法通过平移和旋转两种方式调整发动机的安装位置,改变推力作用点和方向,使其指向卫星质心变化范围的中心,以缩小推力相对卫星质心的偏心距,从而达到减小干扰力矩的目的。以某卫星490N发动机安装的工程实施为例,对比优化安装位置前后推力形成的干扰力矩的变化情况。结果表明:优化方法对减小干扰力矩能起到显著作用,可为工程中确定卫星变轨发动机安装位置及实施安装提供参考。     

双组元姿控发动机喷管化学反应流场数值模拟

本文对混合比为０．９、１．０、１．１三种状态下工作的双组元自然推进剂（肼／四氧化二氮）姿控发动机喷管内化学反应流动进行了数值模拟。数值模拟时采用了弱耦合点隐式方法的数值方法及肼／四氧化二氮的十二组分、十三个基元反应的有限速率化学反应模型。得到了三种混合比下反应流及混合比为１．０时冻结流发动机的推力和比推力、喷管中的流动参数及各组分的质量分数。分析表明，数值模拟的结果与理论分析一致，结果可靠。本文工作为姿控发动机的喷管设计提供了理论依据。     

基于发射光谱法的螺旋波电推进器等离子体源放电实验研究

为探究不同气体条件下螺旋波电推进器等离子体源的放电特征,开展了氩气、氦气和氮气放电的光谱诊断实验研究。氩气和氦气为工质气体的放电条件下,部分波长谱线相对强度随功率的增加而增强,且斜率出现两次跳变,考虑是螺旋波放电过程中的模式转换,即容性向感性、感性向波模式的转换。三种工质气体,在较低的压强下,各谱线强度均随压强增大而迅速增强,但氩气放电下压强继续增大达到1.0Pa以后,谱线强度增强趋势变缓甚至达到“饱和”状态,而氦气和氮气放电下压强增大到0.5~0.65Pa,谱线强度出现降低趋势,氦气和氮气放电强度对压强更为敏感。     

单推力航天器交会对接轨迹规划及跟踪控制

针对单推力航天器交会对接问题,提出一种轨迹规划及跟踪算法。首先,考虑到追踪航天器只沿本体X轴安装推力器,且推力方向固定,为了实现从起始位置转移至期望位置并满足姿态要求,基于三维螺旋线设计两阶段转移轨迹,根据初末位置以及末端速度方向要求,求解螺旋线参数。该螺旋线可以保证在初末速度方向固定情况下,曲率积分最小。其次,为了降低轨迹跟踪难度并减小初始时刻的位置跟踪控制力,需要将转移轨迹初始速度与追踪星X轴重合。传统螺旋线无法满足该约束条件。本文对传统螺旋线进行改进,提出一种旋转螺旋线轨迹设计方法。通过引入姿态旋转矩阵,将螺旋线在三维空间旋转,在不改变曲线形状的前提下满足初末位置及速度方向要求。然后,为了跟踪转移轨迹以及跟踪期望推力方向,提出基于CLF（Control Lyapunov Function）的滑模控制策略,当追踪星X轴与期望推力方向夹角较大时,采用CLF,保证最优性;当姿态误差收敛至滑模面附近时,切换为滑模控制,以提升系统鲁棒性。最后,通过仿真验证旋转螺旋线相比于传统螺旋线的优势。     

无拖曳卫星推力器动态模型研究

无拖曳技术能够有效地抵消卫星的非保守力,适用于未来的空间探测任务.这种技术的实现对推力器提出很高的要求.在广泛调研的基础上,归纳无拖曳卫星中微推力器的工作原理及特点,并介绍其应用情况.根据中国无拖曳技术的发展要求,针对无拖曳冷气微推力器中比例阀的流量控制过程,建立其动态模型进行仿真,并在此基础上设计模糊自适应PID控制器,改善了系统的动态性能.     

微阴极电弧推力器羽流探针诊断研究

微阴极电弧推力器（micro-cathode arc thruster,μCAT）具备功率低和结构简单的特点,能够满足微纳卫星的任务需求,具有良好的发展前景。μCAT羽流的诊断可以揭示推力器的加速机理,对提高其性能具有重要意义。利用朗缪尔三探针对μCAT羽流进行诊断,得到了μCAT羽流不同位置的电子温度、电子密度和离子速度等羽流特性,研究了外加磁场、充电时间和阴极材料对羽流特性的影响。研究结果表明,μCAT放电初期产生的等离子体电子温度较高,密度较大;随着等离子体向下游运动,电子温度和电子密度降低,离子速度增大;外加磁场的磁感应强度越强,电子温度和离子速度越高,电子密度有所降低;磁场位置适当向推力器下游平移,能够有效提高推力器中轴线的电子密度;μCAT充电时间越长,电子温度、电子密度和离子速度越大;相比于CuW和AgW阴极,Ti阴极羽流的电子温度更高,电子密度更低。     

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。