磁帆推进技术研究综述

磁帆是一种基于太阳风等离子体的新型推进技术,它通过大尺度线圈产生磁场来偏折太阳风等离子体从而产生推力,在长周期行星际航行任务中具有重要的应用潜力。由于磁帆相比常规电推进具有更高的比冲和推功比,近几年随着木星等行星探测任务的发展,其逐渐成为行星际无工质推进技术的研究热点。本文介绍了磁帆推力的产生原理,阐述了磁帆小型化设计研究历程,总结了其数值分析和实验技术主要特点,比较了不同任务场景中磁帆的应用效果,最后提出磁帆的主要技术瓶颈及未来潜在发展方向,为我国磁帆技术研究提供参考。

太阳系中旋转小行星表面充电特性

空间等离子体环境中的带电粒子附着和运动会在小行星表面形成可观测的电位,这一表面充电现象阻碍了小行星的安全着陆和探索.传统方法计算速度较低,且聚焦于静态小行星,缺少对实际情况中旋转小行星的充电机制研究.为此,本文提出了基于神经网络和有限元法的多尺度模型,实现了对旋转小行星的三维动态模拟.对小行星和周围环境的模拟和分析结果表明,小行星表面的最大和最小电位均会随着自转周期增长而减小,夜侧最小电位由周期为1 h的-4.96 V降低为周期为七天的-5.97 V,当周期长于七天时,这种下降趋势变缓,七天到半年的周期增长仅能造成0.001 V的电位变化.太阳风暴经过期间,电子和离子的密度及温度升高,自转周期导致的电位差异可达上百伏.表面材料的组成也会影响小行星表面电位受周期影响的差异程度.由斜长石或斜方辉石构成时,不同自转周期小行星之间的表面电位差异较为明显,而钛铁矿构成的小行星则更依赖于所处姿态.研究自转小行星的表面充电现象,对探究小行星与太阳风相互作用的性质至关重要.

功函数对月球表面附近尘埃充电和动力学的影响

月球表面的带电尘埃对太空任务的顺利实施构成严重威胁,对尘埃的充电和动力学的进一步研究有助于月球探测任务的顺利实施.本文研究了具有不同功函数的尘埃颗粒在月球表面的充电和动力学.重新计算了与4种尘埃颗粒功函数相关的表面充电电流,并得到了它们在不同太阳天顶角下的充电和动力学结果,揭示了尘埃颗粒充电和动力学结果对功函数的依赖性.结果显示具有较小功函数的尘埃颗粒能够达到较大的平衡态,且需要更长时间才能达到这些平衡态,其中包括尘埃颗粒能够稳定悬浮的平衡高度,能够携带的表面电荷量以及流经尘埃颗粒表面的充电电流.结果表明,当太阳天顶角在0°—90°范围内变化时,平衡态与功函数之间都呈现明显的反比关系.尘埃颗粒在临界太阳天顶角下不能发生稳定悬浮,且该角度的大小与功函数也呈反比关系.

航天器介质材料深层充放电实验与数值模拟

空间辐射环境中高能电子诱发的介质材料深层充放电效应是威胁航天器安全的重要因素之一.本文采用不同束流强度的电子枪电子,研究了不同厚度的聚酰亚胺薄膜的深层充电过程;利用Sr90放射源电子模拟GEO轨道高能电子环境,研究了在其辐照下聚甲醛树脂和聚四氟乙烯材料的表面电位变化;实验观测了深层放电产生的电流脉冲和电场脉冲.提出了深层充电模型,较好地模拟了实验测量结果,并且分析了深层充电平衡电位和平衡时间随电子束流强度和介质电阻率的变化规律.实验和数值模拟结果初步揭示了深层充放电效应的特征及规律,表明深层充电现象随着电子束流强度和介质电阻率的增加而趋于明显,介质电阻率是影响深层充电平衡电位和平衡时间的主要因素.

航天器典型悬浮导体结构深层放电现象的模拟试验研究

空间辐射环境中,由高能电子所引起的深层充放电现象是威胁航天器安全的重要因素之一。文章采用90Sr放射源模拟GEO电子环境,试验观测了电子辐照下几种含有悬浮导体的典型卫星模拟部件结构的深层充放电现象,比较了真空度、束流密度与温度对放电现象的影响。试验结果表明,深层放电现象的产生与部件结构密切相关,在一定环境条件下含有悬浮导体的结构即可产生放电现象。因此,航天器深层放电防护除了选择合适的介质材料外,要尽可能地避免悬浮导体的存在,同时还必须考虑真空度和温度的影响。

LEO太阳电池一次放电模型研究

空间等离子体作用下,太阳电池一次放电是诱发二次放电的主要原因。目前缺乏适合工程应用的一次放电快速评估模型。文章借鉴辉光放电理论,针对太阳电池三联点结构提出一次放电一维简化模型,用于评估太阳电池设计对放电脉冲强弱的影响。模型计算结果表明,增加玻璃盖片厚度和电池串联间隙有助于提高一次放电起始电压,一次放电频率随着太阳电池偏压和表面二次电子发射系数增加而增大,放电电流随着太阳电池偏压和电池阵电容增加而增强。该模型计算结果与试验测试结果基本一致,且比其他模型计算过程简单,可以为太阳电池设计中一次放电现象快速评估提供参考。

电动绳系在低极轨卫星中的应用研究

低极轨卫星具有轨道周期短、对地观测分辨率高等优点,但由于所在轨道大气阻力大,其使用寿命受到较大限制。文章提出采用水平结构电动绳系抵消低极轨卫星大气阻力的方法,通过系绳电流与地球磁场相互作用产生洛仑兹力进行推进,进而在无燃料消耗的情况下实现对低极轨卫星轨道高度的维持。初步分析了该方法在低极轨不同尺寸卫星中的应用潜力,计算了160、400和800 km典型高度低极轨卫星所经历的地球磁场、电离层和高层大气环境相关参数变化,比较了不同条件下电动绳系推力与大气阻力大小随轨道位置的变化。分析结果表明,该方法适用于400 km轨道高度以上大卫星;在满足一定系绳长度和轨道高度的条件下,电动绳系可以有效延长低极轨卫星的轨道寿命。

航天器介质放电脉冲频谱特征实验研究

空间电子辐射环境下,航天器介质的充放电效应是威胁航天器安全的重要因素.介质放电现象除与材料参数及构型相关外,还与空间电子环境密切相关.本文通过电子枪和Sr^(90)放射源在地面实验装置上模拟空间电子辐照环境,测试了环氧树脂、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等常见空间材料在不同温度、不同电子能量和电子束流强度影响下的放电脉冲,并对放电电流脉冲和电场脉冲进行频谱分析.实验分析结果表明,介质材料的放电电流脉冲频谱具有明显的单峰结构,该峰值与材料厚度和入射电子能量相关,但受材料温度和辐照束流强度影响不大.

低气压离子风推进器仿真与实验

离子风动力具有无需机械旋转部件、低功耗及低噪声等优点,在平流层飞艇和太阳能飞机上具有重要的应用潜力。模拟临近空间的低气压环境,采用“线-柱”电极结构电晕放电装置产生离子风,实验测量不同放电条件下离子风推进器产生的推力和推功比,研究了气压、放电电压、电极间隙对离子风动力的影响。仿真和实验结果表明,气压的降低会导致推进器推功比的下降,具体表现为:当电极间隙为2.0 cm,最大推功比由1 atm(1 atm=101325 Pa)时的17.70 mN/W降低至0.02 atm时的0.24 mN/W;而推功比的损失可以通过增大电极间隙来补偿,当电极间隙增加至14 cm,在0.02 atm的气压环境下,推功比由0.24 mN/W升至0.70 mN/W。通过优化离子风推进器结构,增加电极间隙,离子风动力具备低气压环境下的应用潜力。

卫星部件内部充放电试验与仿真

内部充放电效应是主要空间环境效应之一,对中高轨卫星的威胁很大。当前的内部充放电研究主要关注材料,试验手段和计算机仿真工具不能处理三维卫星结构,无法满足工程应用需要,将关注对象拓展至具有复杂结构的卫星部件是有意义的。本工作尝试利用90Sr-90Y源,对太阳帆板驱动机构导电环样品进行了模拟试验,测得不同条件下样品表面电位的差异,并观测到放电现象。同时,利用蒙特卡罗模拟和有限元分析,得到了样品内部充电电场和电位的空间分布。证明利用现有条件进行部件级的模拟试验和仿真分析是可行的。具体的试验和仿真结果,对指导太阳帆板驱动机构内部充放电防护设计,也具有一定意义。

卫星介质深层充放电模拟实验装置研制进展

文章介绍了深层充放电研究的国内外现状及中科院空间中心在研的卫星深层充放电实验模拟装置进展情况。锶90/钇90β放射源和5～100keV电子枪被设计到一个真空系统内,分别作为介质深层充电及介质电导率的测试手段。分别用β放射源和电子枪对介质样品进行了辐照试验,观察到了kV级的充电电位和放电现象。在辐照样品之前进行的辐照空靶的实验均未观测到放电信号。该装置可为我国发展长寿命、高可靠的新一代通信、气象等中高轨卫星提供深层放电防护设计的基础数据、理论和技术支撑。

利用等离子体加速器发射超高速微小空间碎片的研究

文章介绍了国内外微小空间碎片超高速撞击地面模拟实验研究的现状,描述了国内等离子体微小空间碎片加速器的研制进展和初步实验结果,分析了该加速器在空间碎片防护研究工作中的应用。在初步调试阶段,在系统设计满负荷储能6%和35%的条件下,分别将100μm和200μm的玻璃微粒加速至5.5km/s和9.3km/s。利用该加速器可以模拟研究10～1000μm的微小空间碎片对卫星功能材料的撞击损伤特性,可以加速模拟研究卫星关键部件或分系统在大量微小空间碎片撞击下的失效机理和失效模式,为卫星防护微小空间碎片的设计提供技术支持。该加速器还能为国内发展星载空间微小碎片探测仪器的设计和标定提供模拟实验条件。

空间材料深层充放电效应试验研究

利用电子枪发射的单能电子束、以及放射源发射的能谱结构接近空间电子环境的β射线电子,模拟试验了几种常用空间介质材料和某卫星部件的深层充电过程;结合对放电电流脉冲和电场脉冲的测量,观测了深层放电脉冲信号及其对试验电路的影响。试验结果表明,在类似实际空间强度的pA量级电子束辐照下,介质材料可以累积大量电荷,其表面电位可以达到近万V;随后发生的介质材料放电可产生高强度的放电电流脉冲和电场脉冲,放电脉冲对试验电路造成较强的干扰。

电子辐照下聚酰亚胺薄膜的深层充电现象研究

空间辐射环境下聚合物绝缘材料的深层充放电效应是威胁航天器安全的重要因素之一。文章利用能量为5～100keV的单能电子枪,研究了不同束流强度电子辐照下聚酰亚胺薄膜样品的深层充电过程。实验表明,在102pA量级的电子束辐照下,聚酰亚胺薄膜样品的表面电位迅速上升后缓慢变化,最终可以达到几kV。在一定条件下,样品表面电位随着辐照电子束流密度和样品厚度的增加而增大;充电达到平衡所需的时间随着辐照电子束流密度和样品厚度的增加而减少。辐照截止后聚酰亚胺薄膜样品内部电荷的泄放需经历较长时间,由衰减时间常数推测出的样品电阻率要比采用传统测量方法得到的结果高一个量级。

等离子体碎片加速器的放电电流测量

基于最新研制的脉冲运行装置——等离子体驱动微小碎片加速器的诊断需求,设计了罗科夫斯基线圈及其信号处理电路;对线圈的测量原理、线圈结构及电子线路方案设计、静电屏蔽等环节进行了详细分析和介绍,并对测量结果结合线路理论进行了分析和验证,同时对误差来源进行了讨论.

微小卫星在LEO背景等离子体环境中的充电特征

航天器在低地球轨道(Low earth orbit,LEO)背景等离子体中高速运行时会在速度下方形成尾流区。本文以南京航空航天大学的"天巡一号"微小卫星为研究对象,利用充放电计算程序SPIS研究分析了其在LEO背景等离子体环境下的充电情况、尾流特征及鞘层结构。模拟结果表明,微小卫星在背景等离子体环境下的充电电位低,这与LEO的充电电位特征相符;其尾流和鞘层结构与大卫星有明显特征区别:(1)其远尾区存在密度增强效应;(2)微小卫星鞘层情况符合厚鞘近似。同时,本文采用轨道运动限制(Orbital motion limited,OML)理论对密度增强效应进行了合理解释,而卫星的材料和尺寸可对密度增强的程度造成影响;在"天巡一号"靠近底板的位置鞘层厚度为0.630m,而鞘层厚度并不是常数,随着卫星表面电位的不同有所变化。

卫星辐射效应及防护虚拟仿真实验教学平台设计

该工作设计了一种基于计算机虚拟仿真技术的卫星辐射效应及防护实验教学平台。该实验平台通过模拟日地空间辐射环境,可以计算卫星运行在不同轨道所受辐射效应,并在线完成卫星及星上器件辐射效应判别及防护设计。该虚拟仿真实验平台弥补了南京某高校相关课程无法开设配套教学实验的缺憾,通过与理论教学有机结合,强化教学效果,为培养航天相关专业学生工程实践能力、向航天院所输送高水平人才发挥作用。

基于离子风电推进系统的平流层飞艇飞行轨迹分析

针对传统螺旋桨受大气密度等环境变化影响,推力和效率显著下降的特点,提出将新型离子风电推进系统应用于平流层飞艇,建立动力学模型和相应推力模型,通过Simulink模块开展轨迹跟踪与定点控制仿真,并对15 km到30 km高度上螺旋桨和离子风作为平流层飞艇主动力的飞行轨迹进行对比分析。结果表明,40 kW功率下,在20 km以上高度,离子风动力飞艇的飞行曲线偏移量与瞬态响应时间远小于螺旋桨动力飞艇。通过优化离子风推进器的结构,选取最佳电压和电极间隙,有可能实现离子风作为飞艇的主动力。

用于深层充电评估的卫星介质电导率测量技术研究

准确测量得到卫星介质材料的电导率对于卫星深层充电危害评估具有重要意义。在电荷贮存衰减法的基础上,文章提出了一种获得介质材料暗电导率和辐射诱导电导率的试验测量和数值计算方法,即采用90Sr-90Yβ放射源,在温度为20℃、束流密度为5pA/cm2的条件下对卫星常用的聚酰亚胺材料进行辐照试验,通过测得的材料表面电位随时间的变化曲线,拟合得到材料的暗电导率和辐射诱导电导率。该方法已在某卫星产品的充电评估中得到应用,计算结果与模拟试验结果符合较好。

木星极光等离子体环境表面充电三维仿真分析

木星为太阳系内少有的强磁场行星,其等离子体环境十分恶劣,可对木星探测器造成严重的表面充电效应。文章采用有限元方法,借助COMSOL仿真软件,对航天器表面充电现象进行三维仿真,结合NASCAP-2k以及SPIS软件对比验证了GEO表面充电效应的模拟结果,证明了该仿真方法的有效性。对航天器在木星极光等离子体环境下的表面充电现象仿真分析结果表明,在木星背景等离子体环境中15RJ处,航天器表面充电电位较低,仅为平均-80 V左右;而在木星极光等离子体中,航天器表面充电电位最高可以达到-36.7 k V,CERS等材料表面充电电位差最大可以达到-16 k V,具有较高的放电风险。