离子推力器溅射沉积物防剥离放电室的设计及激光选区熔化增材制造研究

为了抑制离子推力器寿命末期由溅射沉积导致的放电室膜层剥落物脱落,首先采用理论研究和试验的方法开展了剥落物抑制放电室的设计,基于零件结构和增材制造特点开展了零件工艺性分析并提出解决方案,实现了放电室增材制造,开展了离子推力器放电室溅射物防脱落性能测试。结果表明:放电室内表面设计纹理化结构排布形式为正六边形,凸起部分外接圆直径0.5 mm,间距0.25 mm,高度0.5 mm时可降低溅射沉积物脱落概率及碎屑尺寸,通过分层旋转扫描,选择激光功率425 W,扫描速度1200 mm/s工艺参数可实现大尺寸薄壁、具有复杂微小特征钛合金回转体制造,通过结构拓扑,镂空点阵结构、工艺参数和空间摆放位置优化,成型零件壁厚一致性偏差小于0.10 mm。放电室优化前后推力器性能稳定,各工作点关键参数相对误差小于4%。本文的研究为离子推力器放电室溅射沉积物脱落抑制方法和复杂结构的激光选区熔化增材制造成型提供了工程应用方案。

离子推力器研制及应用现状和启示

离子推力器是目前研究和应用最广泛的电推力器之一,在地球同步轨道卫星位置保持、全电推进、深空探测主推进、无拖曳控制等领域均实现了成功应用,取得了显著的经济和技术效益。本文介绍了国内外离子推力器研制过程和应用情况,给出了各离子推力器采取的主要技术方案和达到的技术指标,以及在研制和应用中遇到的技术问题和采取的解决措施,提出了离子推力器研制及应用经验启示和发展方向。

离子推力器外壳非预期放电抑制实验研究

离子推力器非预期放电直接影响其在轨应用可靠性,为了降低推力器外壳与屏栅间的非预期放电频率且兼顾热设计提出3种优化方案,搭建了方案验证试验系统。研究结果表明:电荷在绝缘层积累是非预期放电的主要诱因,等离子体和气体泄漏是次要诱因,外壳非预期放电频率随功率增大呈上升趋势,0~3kW,放电频率从1.9次/h缓慢上升到3.3次/h,超过3kW,放电频率快速上升到6.9次/h。通过试验验证确定了最佳抑制方案,3kW工况下,该方案非预期放电频率从原方案的3.3次/h下降到0.05次/h,5kW工况下从6.9次/h下降到0.21次/h,且满足推力器热设计要求,240h性能测试中推力器关键性能参数偏差小于3%,推力器非预期放电得到有效抑制。

40cm离子推力器功率宽范围工作实验研究

深空探测任务要求太阳能电推进系统具有大推力、高比冲特性,同时随着航天器离开太阳距离的增加,太阳能效率快速降低,要求电推进系统具备功率宽范围高效工作能力。为了研究兰州空间技术物理研究所研制的40cm离子推力器功率宽范围工作能力,从实验角度研究了1~10k W 40cm离子推力器的工作性能及其变化规律。通过对离子推力器工作参数和性能的分析与计算,依据功率调节方法确定了40cm离子推力器1~10k W多模式工作点电参数;通过阴极流率优化和放电损耗优化实验确定了多模式工作点最佳供气参数。在设计确定的电参数和实验确定的供气参数下,开展了1~10k W调节实验,获取了40cm离子推力器的工作性能及其变化规律。实验结果表明:40cm离子推力器可在1~10k W内稳定工作,推力42~336m N,比冲2174~4389s,效率41%~72%;随功率增加效率增高,当功率大于2.5k W时效率大于63%。

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。

两种会切场离子推力器对比研究

为了进一步提升离子推力器性能和可靠性,基于30cm环形会切场离子推力器LIPS-300H和30cm柱形会切场离子推力器LIPS-300Z,对比研究了两类会切场离子推力器各自优劣及其机理。首先分析了两种会切场原理,总结给出了两种会切场差异,然后实验对比研究了两种会切场离子推力器束流均匀性、放电效率和寿命。实验结果显示,LIPS-300H相比LIPS-300Z在3kW和5kW工况下束流密度峰值分别降低25%和19%,放电电压分别降低7.8V和6.2V,放电损耗分别增加31W/A和42W/A。此外,LIPS-300H离子推力器在3kW和5kW工况下屏栅预测寿命分别是LIPS-300Z的7.7倍和4.2倍。结果表明:虽然LIPS-300Z比LIPS-300H具有放电损耗低的优点,但其较差的束流均匀性、较高的放电电压和双荷离子比,使其在寿命和可靠性方面劣于LIPS-300H。

屏栅边缘小孔孔径对离子推力器性能的影响

提出并实验验证了一种通过减小屏栅边缘小孔孔径消除双模式离子推力器中束流离子对三栅极系统减速栅边缘小孔溅射刻蚀的方法.基于30 cm双模式离子推力器,在小推力高比冲和大推力高功率两种工作模式下实验对比研究了屏栅边缘小孔孔径对推力器放电损耗、束流平直度和减速栅边缘小孔刻蚀速率和刻蚀范围的影响.当束流半径95%外的屏栅小孔孔径缩小26%后, 30 cm双模式离子推力器在小推力高比冲模式和大推力高功率模式下放电损耗分别减小10%和21%;束流平直度分别下降3%和10%;减速栅边缘小孔存在离子溅射刻蚀的小孔排数由边缘5排减小到最边缘1排,刻蚀速率明显减小,并且当工作900 h后最边缘小孔刻蚀现象也消失.实验结果表明:减小屏栅边缘小孔孔径是一种解决双模式离子推力器小推力高比冲模式下束流离子对三栅极系统减速栅边缘小孔溅射刻蚀的有效方法,而且不会降低推力器效率,但是会造成束流均匀性变差.

40cm离子推力器设计与性能测试

针对我国木星探测、小行星采样返回等深空探测任务对大功率电推进系统的应用需求,开展了大功率离子推力器研究。通过采用四极环形磁钢会切场放电室、束流直径为40 cm的三栅极离子光学系统、石墨顶触持极六硼化镧空心阴极、耐高温磁钢等先进技术和材料完成了大功率40 cm离子推力器原理样机的研制。试验测试了40cm离子推力器原理样机放电损耗、工质利用率、加速栅电流、减速栅电流等工作参数和束流平直度、推力、比冲、效率等性能指标,试验结果显示:该样机在6.94 kW功率下,推力232 mN,比冲4 367 s,效率71%,束流平直度0.72。

高推力密度离子推力器研究

离子推力器是一种先进的空间推进技术,由于其高比冲,长寿命等特性而获得了广泛的应用,但是受其束流密度的限制,其推力密度也受到限制。然而在轨道转移、深空探测主推进等应用需求中,不但要求其比冲高,还要求其推力大,以缩短航天器轨道转移和巡航时间。受航天器的体积和功率限制,大推力要求离子推力器在一定比冲下具有较高的推力密度。为了提高离子推力器的推力密度,以25cm离子推力器为研究对象,通过改善离子推力器束流平直度和栅极可引出最大束流密度,有效提高了平均束流密度。试验结果显示在3500s比冲下,平均束流密度达到75A/m2,推力密度达到4.1N/m2。

小型磁偏转质谱计离子源设计与验证

离子源是质谱计的"心脏",其很大程度上直接决定了质谱计的灵敏度、分辨率等主要性能指标,因此需要对其结构和供配电关系等精心设计。针对空间环境探测应用目标,开展了小型磁偏转质谱计离子源的设计、仿真分析和试验测试。阐述了离子源的设计结构、供配电关系以及仿真分析和试验验证情况。通过分析得到了电压参数对离子束引出能力和束发散角的影响结果,通过试验验证了离子源的主要性能指标和抗力学环境能力满足设计要求。

小型磁偏转质谱计研究现状及进展

小型磁偏转质谱计因稳定性好、定量性好、丰度灵敏度高、结构简单、体积小、功耗低等特性,广泛应用于诸多领域实现原位实时气体成分分析。首先介绍了单聚焦磁偏转质谱计、串联式双聚焦磁偏转质谱计和正交式双聚焦磁偏转质谱计三种磁偏转质谱计的工作原理和特点,并对其最新研究现状进行了综述,最后介绍了微机电系统(MEMS)技术在质谱计小型化中的应用并对小型质谱计的发展方向进行了分析。

多模式离子推力器流率特性实验研究

为了使多模式离子推力器在宽功率范围内性能和可靠性最优,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,当束电流<1.5A时,放电损耗迅速增加;然而当束电流>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多模式离子推力器在0.3~5kW宽功率内35个工作点最佳流率设计和评价。在设计的工作流率下,放电电压均<30V,阴极和中和器均工作在点状模式,实测推力为9.6~185.2mN,比冲为1332~3568s,功率为258~4761W。

离子推力器束流均匀性改善方法研究

束流均匀性是离子推力器的一个重要指标,其代表离子推力器栅极整个引出平面上引出束流密度的均匀程度,一般用束流平直度来表示。从产生均匀束流的必要条件出发,讨论了离子束流均匀性影响因素,并对其影响机理进行了分析。根据讨论结果对典型离子推力器的束流均匀性进行了对比分析。最后总结给出了离子推力器束流均匀化设计应遵循的一般原则。

30厘米多模式离子推力器1200小时磨损试验研究

针对小天体探测主推进任务应用需求,开发了30 cm多模式离子推力器。为了验证该推力器长期工作性能,发现过早失效模式,并获取关键部组件磨损数据,在4种典型工作点下开展了1200 h磨损试验,本文给出了试验方案和试验结果。试验结果显示:30 cm多模式离子推力器1200 h工作期间功率、推力、比冲和效率均满足任务要求,未发现性能衰减现象;经历1200 h工作后,放电室未发现溅射沉积多余物;阴极顶和中和器顶小孔工作300 h后出现增大现象,其后基本保持不变;除减速栅最边缘小孔直径增大约4%外,栅极小孔直径在测量误差内未发现明显增加现象。

电推力器气路高电压绝缘技术研究

电推力器工作时,氙气供气管路上必须设置气路电绝缘器抑制因低气压放电引起的击穿,以确保电推力器正常工作,并避免卫星结构带电。通过气路电绝缘器工况分析,在帕邢放电原理基础上,对提出的几种气路电绝缘器结构方案开展了对比分析。考虑空间应用环境、高可靠和小型轻质化要求,并结合工作电压等条件,重点对多级电压分割绝缘结构进行了设计分析。对不同级数的气路电绝缘器结构样件进行了试验验证。结果表明该设计结构能够满足当前电推力器气路电绝缘要求。该研究成果可推广应用于更高工作电压和更大气体流率的气路电绝缘器结构设计。

质谱计离子源静电透镜的模拟计算

本文针对某质谱计离子源的设计,建立了离子源静电场数学模型,采用有限差分法对其场域进行离散,半迭代切比雪夫松弛法求解各节点的电位,拉格朗日插值法计算空间任意点的电位和电场,四阶龙格-库塔法计算离子运动轨迹。使用Visual C++6.0为平台编程计算程序,结合离子源的具体结构求解了离子源静电透镜整个场域的电位和电场;绘制了等位线和离子运动轨迹。在此基础上,讨论了各电极电压对离子运动轨迹(即对聚焦性能)的影响。

小型磁偏转质谱计磁场的分析计算

磁偏转质谱计是根据离子在磁分析器中运动时,不同质荷比的离子有不同的偏转半径原理来实现质量分离的。磁场大小和分布对质谱计的性能影响较大,因而设计时需要对质谱计磁场分布进行精确计算。应用有限元法建立了计算质谱计磁分析器磁场的物理模型,并利用这一模型计算了磁分析器磁感应强度在空间的分布情况。结果表明,在半径分别为20 mm和50 mm的1/4圆弧轨道上,其磁场分布规律类似。由于边缘磁场效应,在磁铁边界区域约3 mm范围内,磁感应强度基本呈直线下降,这一结果为磁分析器的结构优化和边缘场补偿提供了理论依据。

小型磁偏转质谱计上位机软件的设计与实现

在小型磁偏转质谱计的调试过程中,需要由质谱计上位机软件向下位机发送间接指令并实现扫描控制和对离子流的采集、处理、存储和分析。基于此,本文采用面向对象的程序设计方法,在VC++6.0环境下对质谱计的上机位机软件进行设计与实现。质谱计上位机软件通过CAN(Controller Area Network)总线与质谱计下位机进行通信,实现对下位机的控制和数据处理。利用质谱计上位机软件可以替代大量冗杂的人工处理数据的工作,而且可以数据实时采集存储,可以进行随时再现、分析、从中获得有用的数据,避免数据的丢失。调试结果表明,质谱计上位机软件设计正确,具有很强的工程实用性。

小型磁偏转质谱计离子源性能参数的模拟研究

离子源是磁偏转质谱计的核心,离子源的聚焦和离子引出效率对其工作性能有着重要影响。采用SIMI-ON-3D 8.0软件建立了应用于小型磁偏转质谱计的电子轰击型离子源模型,计算了离子的运动轨迹,采用相空间分析方法,得到静电透镜聚焦处离子的位置聚焦半径和速度聚焦半径,分析了离子源各参数对聚焦和离子引出效率的影响。研究结果表明当S和α狭缝分别加负偏压时,离子束在运动过程中能够两次聚焦,从而得到很好的聚焦性能和引出效率,为离子源优化设计提供重要的理论依据和实验指导。

主带小行星采样返回任务中的离子电推进应用方案

由于离子电推进的高比冲特性,采用它执行小行星探测器巡航阶段轨道机动任务时,将使探测器在同样的有效载荷下的发射重量大大减轻。针对我国规划中的主带小行星采样返回任务,调研了国外离子电推进在深空探测任务中的应用情况,在借鉴国外成功经验和任务需求分析的基础上,设计了主带小行星探测器离子电推进系统方案和应用策略,计算了在目前离子推力器寿命水平下,既定探测任务对离子电推进推力、比冲、推进剂量以及功耗需求。研究表明,目前研制的离子推力器可以满足规划中的主带小行星探测任务需求。研究成果对探测器的方案设计有参考价值。