Optimization of magnetic field design for Hall thrusters based on a genetic algorithm

Magnetic field design is essential for the operation of Hall thrusters.This study focuses on utilizing a genetic algorithm to optimize the magnetic field configuration of SPT70.A 2D hybrid PIC-DSMC and channel-wall erosion model are employed to analyze the plume divergence angle and wall erosion rate,while a Farady probe measurement and laser profilometry system are set up to verify the simulation results.The results demonstrate that the genetic algorithm contributes to reducing the divergence angle of the thruster plumes and alleviating the impact of high-energy particles on the discharge channel wall,reducing the erosion by 5.5%and 2.7%,respectively.Further analysis indicates that the change from a divergent magnetic field to a convergent magnetic field,combined with the upstream shift of the ionization region,contributes to the improving the operation of the Hall thruster.

基于柔性鳍单元的尾鳍推进微型机器鱼设计研究

论述了一种微型机器鱼.首先对亚鲹科、鲹科和鳐科模式游动动作进行了简化和抽象,确定柔性弯曲是这三种模式的一种简化的游动动作.然后从乌贼鳍的肌肉性静水骨骼鳍的结构得出灵感,提出并研制了能够实现柔性弯曲的柔性鳍单元;它应用动物弹性机制,由形状记忆合金(shape memory alloy,简称SMA)丝驱动.再对SMA丝进行了热力学分析,从而优化其驱动.最后,基于柔性鳍单元,设计了无线遥控的尾鳍推进微型机器鱼,并进行了游动试验;实现了亚鲹科和鲹科模式游动动作.该机器鱼无任何转动、滑动部件,能够实现快速、安静的隐蔽性游动.

肌肉性静水骨骼原理的仿乌贼鳍推进器

模拟乌贼鳍动作的肌肉性静水骨骼原理的仿乌贼鳍推进器由推进模块、遥控模块、驱动模块和电池组等几部分组成.推进模块由2个水平鳍构成,每个水平鳍由1张鳍膜和5个由形状记忆合金丝驱动的柔性鳍单元组合而成.柔性鳍单元模拟乌贼鳍结构,能实现柔性弯曲.柔性鳍单元动作过程中利用弹性机制,在弯曲时存储弹性能,在回复时释放弹性能,从而减少能量消耗.对柔性鳍单元的形状记忆合金丝进行了热力学分析,发现采用短脉宽、大电流的脉冲可使柔性鳍单元在较高动作频率时,达到较大的弯曲角度.在空气中和水中对柔性鳍单元进行了弯曲试验,验证了柔性鳍单元的设想和控制方法.对该推进器模仿短鳍乌贼的鳍拍动进行了游动试验,达到了40mm/s的最大直线游动速度和22(°)/s的最大打转游动速度.该推进器对环境友好,能实现柔性动作和水下无声推进.

SMA驱动的仿生机器人研究现状及其展望

论述SMA动作机理及其驱动方式,包括分段二进制控制方法和燃料驱动的SMA致动器。然后对近年来典型的、采用SMA驱动的仿生机器人进行了综述。合理利用SMA的优点,SMA必定能在仿生机器人方面获得更多更好的应用。

形状记忆合金在固定翼飞机上的应用探索

针对固定翼飞机存在的问题,科研人员将集传感器、驱动器和致动器于一身的形状记忆合金(Shape memory alloy,简称SMA)驱动器应用到飞机中,以改善飞行性能,抑制喷射噪音等。综述了SMA驱动的变形机翼、涡轮发动机进气道、喷口以及喷射噪音抑制装置的原理、结构和控制方法,并讨论了SMA在飞机上的应用。随着研究的不断深入,SMA必将在飞机上获得更为广泛的应用。

霍尔电推进空间应用现状及未来展望

对霍尔电推进的空间应用现状进行综述,并对其未来发展趋势进行展望。针对我国霍尔电推进在原始创新、研发效率、产品成熟度、在轨应用等方面与国外存在的差距,提出加强需求分析和任务牵引、加强工作机理研究、加快产品迭代、加强天地差异研究、加快生产线建设等发展建议,以更好地推动发展。

形状记忆合金驱动仿生蝠鲼机器鱼的设计

研究了一种采用鳐科模式游动、柔性胸鳍摆动方式推进的形状记忆合金(SMA)丝驱动型仿生蝠鲼机器鱼.首先,对双吻前口蝠鲼游动动作进行了分析,建立了蝠鲼胸鳍柔性摆动的简化运动模型.然后对能够模仿蝠鲼肌肉动作的智能材料进行了分析.最后设计了SMA丝驱动的柔性仿生胸鳍和仿生蝠鲼机器鱼,并分析了SMA丝的热力学特性,确定了控制规律.该机器鱼外形与双吻前口蝠鲼外形相似,身体呈现扁平形状,有一对三角形的柔性仿生胸鳍,直线游动速度达到79mm/s,最小转弯半径为118mm.该机器鱼游动稳定性好,无噪声.

面向水下无声推进的形状记忆合金丝驱动柔性鳍单元

水下无声推进是潜器追求的理想目标,但几乎所有成熟的潜器都应用螺旋桨推进,噪声较大,推进效率随航度变化波动大,限制了潜器的应用。基于大多数鱼类和鳍波动推进时的乌贼的游动基本动作为柔性弯曲这一事实,从软体动物乌贼的鳍结构获得启发,借鉴其肌肉性静水骨骼原理,提出并研制嵌入形状记忆合金丝驱动的仿生柔性鳍单元,对柔性鳍单元进行转角理论分析及水中弯曲、回复试验,研制并试验基于柔性鳍单元的微型机器鱼。柔性鳍单元通过电流驱动,以模块化形式安装,实现身体/尾鳍推进、胸鳍波动推进等功能。柔性鳍单元为动作无噪声,转角大,无相对移动的机械部件,具有足够的输出力,结构简单,隐蔽性好,可实现水下无声仿生推进,在微小型水下机器人上应用具有优势。

乌贼游动机理及其在仿生水下机器人上的应用

针对大多数机器鱼未采用弹性机制来提高能量利用效率和耐压能力低等的不足,对拥有高超游动能力,具有耐压结构的乌贼进行研究。分析乌贼喷射和鳍波动推进的游动机理,给出喷射推力、喷射和整周期流体推进效率方程。乌贼复合游动方式的优点是高速性和低速性均很好,能瞬时改变游动方向,噪声低,以及即使喷射速度低于周围流体速度,也能产生推力。为深入说明乌贼游动机理,研究乌贼外套膜和鳍这两套运动系统的肌肉性静水骨骼结构及其动作原理。肌肉性骨骼不但具有支撑躯体,进行动作和输出力的作用,还具有良好的耐压能力。大多数乌贼体内没有充气组织,外套膜腔内外静压平衡,进一步提高了它们的耐压能力。乌贼动作时,弹性机制能够减少能量消耗,提高能量利用效率。若能将乌贼的游动方式、肌肉组织结构和弹性机制等特点应用到仿生水下机器人上,将使其更加高效、灵活和耐压。

生物喷水推进机理及其在仿生喷水推进装置中的应用

首先介绍了几种水下生物的喷水推进模式;然后分析了喷水推进的机理及其研究进展;最后阐述了仿生喷水推进装置的研究现状,并对此类研究进行了总结和展望.

一种形状记忆合金丝驱动的仿乌贼水平鳍推进器

提出并实现了一种SMA丝驱动的仿乌贼水平鳍推进器。通过分析鳍的生理结构和波动规律,建立了仿乌贼水平鳍推进器的波动机构原理模型,提出了柔性鳍单元。然后设计了形状记忆合金丝驱动的、基于柔性鳍单元的无线电遥控仿乌贼水平鳍推进器,并对双侧10鳍单元的仿乌贼水平鳍推进器进行了游动试验。试验表明该推进器可以实现前进、后退、左右转功能,可以实现8mm/s的游动速度和12°/s的转弯速度,它具有无噪声、无污染、驱动电压低、机动性好、结构简单容易密封等优点,其扁平身体结构能够进入狭窄复杂的水下区域进行探测。

群孔的微细电火花加工技术研究

对微细电火花群孔加工工艺进行了分析和研究。用微细电火花加工机床加工出单电极,并用该电极加工出2×2直径约100μm的阵列孔,在此过程中采用加大加工长度和适度欠补偿的方法,获得了质量较好的阵列孔。用此阵列孔作为工具加工出了2×2直径约100μm的群电极,然后用此群电极一次加工出2×2直径约100μm的群孔,从而实现了微细电火花阵列孔的加工。

磁屏尺寸对霍尔推力器性能影响的仿真研究

磁屏作为霍尔推力器磁路系统的重要组成部分,其尺寸对磁感应强度分布具有重要影响。为探究其中的影响规律,以一台低功率霍尔推力器为研究对象,首先采用Maxwell有限元方法软件对磁屏在不同的轴向和径向尺寸下形成的磁场进行仿真,结果表明一组尺寸使推力器磁场位形达到最优。然后以该尺寸作为设计标准,采用PIC方法对霍尔推力器在阳极电压及气体流量分别为200 V及0.8 mg/s条件下放电通道内等离子参数分布进行仿真。最后根据离子速度和数密度等参数,计算得到推力器的推力、阳极比冲和阳极效率分别约为6.9 mN、880 s及41.89%。该仿真为霍尔推力器的磁场设计提供理论依据,为未来的实验研究提供数值参考。

基于多媒体技术的特种加工CAI课件的设计与实现

运用面向对象的编程思想 ,开发了一套包含教师版和学生版的特种加工计算机辅助教学 (CAI)专业教学课件。课件中集成了各教学环节的主要内容 ,即教学演示、教案编排、习题解答、实验指导和知识扩展等 ,探索出一条专业课件开发一体化的道路 。

微功率电推进技术研究现状与展望

功率为1~100W甚至更小的电推进装置具有推力小、比冲高、寿命长、可调节、冲量精准等特点,近年来快速应用在微纳卫星、低轨星座、深空探测器上,以及用于引力波探测器和重力梯度卫星的超静平台上,效益显著。微功率电推进技术种类众多,各有特点。本文介绍了微功率电推进技术的分类、技术特点、发展现状及关键技术,并对其未来发展进行了展望。

形状记忆合金丝驱动的仿乌贼外套膜喷射推进器研究

研制了两种由形状记忆合金(SMA)丝驱动的仿乌贼外套膜结构和一个仿乌贼外套膜喷射推进器,分析了喷射推进方式的突出优点。比较了不同种类智能材料的性能特点,SMA与其它材料相比具有回复应力大、变形量稳定、稳定工作寿命较长等优点。乌贼外套膜呈柔性,由于硅胶具有较好的柔性且性质稳定,采用其作为仿乌贼外套膜结构的基体材料。讨论了乌贼的肌肉性静水骨骼和外套膜肌肉结构。分析了排布角度、筋条数目等参数对喷射推进器性能的影响。制作了不同参数的仿乌贼外套膜结构,其内径收缩应变达到12%。设计了一个仿乌贼外套膜喷射推进器,其外套膜收缩应变达到8.8%,通电后0.8～1.4 s内平均游动速度达到58 mm/s。

铋工质阳极层推力器的研究与发展

阳极层推力器(TAL)作为一种高功率、比冲、效率的电推力器逐渐成为国内外研究机构关注的重点,其在深空探测领域具有巨大应用潜力。然而,传统的氙工质不仅价格昂贵、提纯难度大、需要高压贮存,而且不能充分发挥TAL的性能优势。固体金属铋工质具有贮存密度高、成本低、易电离等特点成为代替氙工质的理想选择。本文根据TAL的工作原理与结构特点,对铋工质的适用性进行论述。首先对该推力器的研究现状和发展趋势进行概述;其次对铋工质的性能优势进行了阐述;然后对该推力器的结构组成、工作原理及关键技术进行总结与分析;最后对该推力器的应用前景进行展望。

一种电推进用多孔不锈钢微型气体节流器的研制

采用选区激光烧结不锈钢球形粉末,结合磁控溅射纳米覆膜技术和老化热处理,实现了微型气体节流器X轴与Y轴气流方向的孔隙可调控,Z轴方向致密度达100%。这种梯度孔隙结构节流器的节流效果明显。当推进器进口氙气压力为0.2 MPa时,阻流端出口氙气流速达到9.6 mL/min,气体流量控制精度高、稳定性好,达到了航天推进系统中10 W~100 kW推力器对氙气流速9.5 mL/min的要求。

仿生水下机器人研究现状及其发展趋势

仿生水下机器人以其高度灵活性及逐渐智能化的特点,成为近年来机器人领域研究的热点。仿生水下机器人按照模仿水下生物的运动方式可分为:仿鱼水下机器人、仿多足爬行动物水下机器人和仿蠕虫水下机器人。文中具体地阐述了这三类中具有代表性的仿生水下机器人的特点。随着科学技术的发展,仿生水下机器人在智能材料制成的驱动装置、游动机理方面会不断地完善,在个体的智能化和群体的协作方面也会有很大的发展。

电推进空间应用现状与发展趋势

电推进具有比冲高、推力小、寿命长等优势,可以应用于地球静止轨道(GEO)卫星、低轨(LEO)卫星、深空航天器和微纳卫星等几乎所有的推进任务。本文首先对电推进的空间应用现状进行综述,接着对其未来发展趋势进行展望,最后给出了我国电推进发展的建议。