国外离子推力器栅极几何形貌测试评价技术的应用与发展

栅极组件作为离子推力器的核心部件,对电推力器的性能、可靠性及寿命起着非常重要的作用。简述了离子推力器栅极几何形貌测试评价技术的主要研究内容,重点论述了国外航天技术先进国家在寿命试验中应用栅极几何形貌测试评价新技术的重要进展,总结了几何形貌测试评价技术的发展趋势。

离子推力器电参数对真空度及工质流率的敏感特性实验研究

为探究影响LIPS-200离子推力器地面测试一致性的因素,深入理解离子推力器工作机理,通过实验研究获取了LIPS-200离子推力器电参数对真空度及工质流率的敏感特性。结果表明:真空度从2×10^(-3)Pa至1×10^(-2)Pa的变化过程中,束电流为额定束电流的1.7%左右,而加速电流升高了3倍;在改变中和器工质流率时,束电流及阳极电压几乎没有变化;而在增大阳极及主阴极工质流率的过程中,阳极电压均减小,束电流随着阳极工质流率的增大而逐渐增大,随着主阴极工质流率的增大而逐渐减小。研究结果对提升离子推力器地面测试一致性及优化工作点设置具有参考价值。

20cm氙离子推力器性能扩展研究

为了满足未来深空探测任务的需求,在20cm氙离子推力器的技术基础上,对其性能进行扩展提升研究,将推力提高50%,使推力由原来的40m N提高到60m N。通过对离子推力器工作参数的分析与研究,确定了离子推力器60m N推力模式的工作参数,并进行了优化实验。结果表明:性能扩展的20cm氙离子推力器推力提高到60m N,比冲提高到3500s,效率也提高到65%,并能够在40m N和60m N二种推力模式下工作。通过对2台推力器的组合,能够实现40,60,80,100,120m N五种推力工作模式。

20cm氙离子推力器3000h寿命实验

为了验证20cm氙离子推力器的寿命,进行了约3000h的寿命考核实验。在实验过程中,测试推力器性能参数、离子光学系统性能以及放电阴极和中和器阴极的能耗变化。通过对测试数据的分析来判断推力器的寿命终止时间。实验表明20cm氙离子推力器连续累计工作3000h后,性能指标满足设计要求,其寿命已超过3000h。

改善离子推力器束流均匀性的方法

离子推力器的束流分布,直接影响离子推力器离子光学系统(亦称栅极组件)的性能和寿命。通过对离子推力器离子光学系统的改进和放电室磁场的优化,使束流均匀性系数R值达到0.7左右。离子推力器束流分布均匀性的有效提高,有助于改善离子光学系统的受热分布,降低离子光学系统的温度,并能减小其温度差,使离子光学系统的热应力和热变形降低,进而延长离子推力器的寿命。

离子推进器C/C复合材料栅极研究

栅极是离子推进器的关键部件之一,直接影响推进器的可靠性和寿命。由于C/C复合材料栅极具有比较小的热膨胀系数和较强的耐溅射性,可以提高离子推进器的可靠性并延长其寿命。文章通过调研综述C/C复合材料栅极的研究和应用发展状况,针对目前我国离子推进器的研究发展水平,提出开展C/C复合材料栅极研究工作的初步思路。

离子推进器热特性测试与分析

对离子推进器工作状态的热特性进行了测试与分析。测试分析结果表明:离子推进器工作时产生的热量主要以热传导和热辐射向周围环境传递,通过安装环传导到航天器的热量较少,不会对航天器产生影响。热辐射主要向空间辐射,不会对航天器造成热影响。

离子推进器性能评价方法

离子推进器是一种动力装置,可为航天器提供动力。其性能为推力、比冲和效率,通常是在保证推力和比冲的条件下,用效率来评价其性能。通过分析离子推进器工作参数与推力、比冲和效率的关系,提出一种采用离子推进器工作参数,利用公式计算来快速、便捷的评价其性能的方法。对20 cm氙离子推进器的性能评价结果表明:用工作参数,通过公式计算的结果与直接测量法的结果相一致。

金属钼栅极高温定型处理技术研究

栅极组件是离子推力器的关键组件,其功能是引出并加速离子束流形成推力。栅极形状直接决定着栅极组件的性能和可靠稳定性。基于金属钼烧氢处理技术,对栅极形状、定型温度和保温时间以及定型处理程序进行优化试验研究,并确定金属钼栅极高温定型处理的方法和技术参数。通过对30 cm直径金属钼栅极的高温烧氢定型处理,结果表明:金属钼栅极高温烧氢定型处理程序和技术参数合理可行,定型处理的钼栅极形状轮廓度误差控制在0.1 mm以内,并将栅极组件栅间距的误差控制在0.1 mm以内,改善了栅极组件的性能和可靠性。

离子推力器热真空试验研究

为了验证离子推力器的空间环境适应性,对离子推力器进行了热真空试验研究,确定了热真空试验的温度。试验结果表明:离子推力器在热真空环境中,启动和工作正常,性能稳定,满足空间环境要求。

用于小行星探测的离子推力器技术研究

随着我国深空探测技术的发展,近地小行星的探测已列入实施计划,后续的深空探测活动也在规划中。研究基于国外深空探测技术对离子推力器的技术需求以及应用情况,针对我国小行星探测离子推进技术的应用进行了分析与研究。着重阐述了满足我国首颗近地小行星探测使命的离子推力器研究,以现有成熟离子推力器为基础,对其进行性能提升研究。性能改进后的离子推力器,能够实现40和60mN两种工作模式,通过组合应用,可实现40、60、80、100和120mN共5种推力模式,以满足小行星探测的需求。

离子火箭发动机栅极组件短路消除方法

栅极组件短路是造成离子火箭发动机失效的主要原因。本文分析了栅极组件短路的形成原因,利用电热烧蚀原理,消除栅极组件的短路。通过实验研究,获得了栅极组件短路消除的有效方法。应用实验结果表明,这种方法能够有效消除栅极组件的短路现象。

离子发动机栅极组件的热应力分析

离子发动机栅极组件的热应力、热形变分析是栅极组件工程化设计的重要内容之一。建立了栅极组件热应力分析模型和计算方法。针对20cm氙离子发动机钛栅极组件的结构,具体进行分析计算。结果表明,钛栅极组件的热应力满足工程应用要求。

10cm离子推力器放电室性能优化研究

要实现离子推力器较高的效率和比冲等综合性能指标,优化的放电室性能是其首要的前提条件。为了获得10cm离子推力器优化的放电室性能,在放电室初始设计方案基础上,通过对工作参数和结构参数的不同组合试验,开展了性能优化研究,采用的主要手段是关键特征尺寸调节、流率调节和磁场参数的调节。试验获得了不同参数组合的性能变化趋势,得出了优化的放电室结构参数和工作参数。优化后的离子推力器综合性能试验结果表明,在推力15.6m N、比冲3100s的设计工况下放电损耗约为227W/A,放电室工质利用率为91%。

离子推力器栅极系统电子反流阈值的数值分析

阻止束流等离子体中电子反流到加速栅上游区域是离子推力器加速栅负电压的主要作用之一,能够阻止电子反流的加速栅电压最小值称为电子反流阈值。加速栅电压的选择直接影响到离子推力器的工作性能和运行寿命,电子反流阈值电压是确定加速栅电压的重要参考参数。基于PIC方法计算了20cm氙离子推力器加速栅电子反流阈值,并分析了加速栅孔径、栅间距、单孔引出束流电流大小对加速栅电子反流阈值电压的影响,计算结果与试验测量值符合较好。该数值模型为加速栅参数的选择和降低电子反流失效风险方法提供了参考,为下一步电子反流现象对加速栅寿命的预测分析奠定了基础。

μ-PPT等离子体电子密度氢光谱诊断技术

为了能够表征推进剂烧蚀产物的有效加速度及推进剂利用率,需要更准确地测量等离子电推力器(PPT)内等离子体的基础状态参数(电子密度、电子温度),提出了基于光谱线Stark加宽分析,提高PPT放电通道内等离子体电子密度诊断精度的一种方法。针对来自于推进剂的C原子谱线,测量线型函数和半高全宽(FWHM),可以计算电子密度,但要求等离子体电子密度需足够高。当电子密度低于10^(16)cm^(-3),此方案的测量可靠性便显著降低。为此,提出了通过向放电空间引入微量含氢气体作为示踪剂,测量H原子谱线线型和半高全宽进而诊断电子密度的技术方案。相比于C原子谱线诊断方案,氢方案可以大幅度提高电子密度测量下限至10^(13)cm^(-3),因此能够显著改进电子密度测量准确性和可靠性。

10cm氙离子推力器变推力特性研究

非重力阻尼的连续、快速、高精度补偿是实现重力梯度测量卫星精细重力场的关键技术之一,直接影响到整星工程任务的成败。针对重力梯度测量卫星在轨飞行期间对电推进系统宽范围连续变推力能力的应用需求,分析了10cm氙离子推力器推力调节响应特性。在此基础上,通过对阳极电流、励磁电流和阳极流率等推力高敏感响应参量的组合调节,开展了推力调节试验研究,验证了10cm氙离子推力器宽范围连续变推力调节能力,获得了1~20mN内的推力调节性能及其变化规律。试验结果表明:在采用地面供电、供气设备条件下,10cm氙离子推力器能够在100~597W内实现0.98~20.29mN的推力宽范围调节,比冲175s^3500s,推力分辨率优于50μN。研究为建立10cm氙离子电推进系统的推力控制数学模型及调节控制算法奠定基础。

基于CFD的10cm氙离子推力器阳极推进剂供给方式优化

离子推力器阳极推进剂在放电室内的浓度分布及其变化梯度的设计是放电室放电模式可靠性设计的关键技术之一,直接影响到放电室内推进剂的电离效率及放电稳定性。针对航天器在轨多目标飞行任务对10 cm氙离子推力器的应用需求,为提高10 cm氙离子推力器放电室空腔内阳极推进剂供给的均匀性,实现推进剂利用率的有效提升,运用计算流体动力学(CFD)理论,建立了包括阳极推进剂、进气管和分配环在内的CFD阳极环模型,研究了未发生气体放电情况下,不同供给方式时阳极环内阳极推进剂的压强与流速变化情况。在此基础上,分析了阳极推进剂供给方式对10 cm氙离子推力器放电室空腔内阳极推进剂分布特性的影响作用关系。将优化前后的阳极环在10 cm氙离子推力器中进行了性能对比,结果表明:优化后阳极推进剂电离损耗由277.9 W/A降至241.2 W/A,放电室阳极推进剂利用率由91.7%提升至98.4%,验证了CFD计算结果的正确性与方法的可行性。研究结果为离子推力器放电室拓扑结构设计与优化提供了方法。

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。

不同磁感强度下LIPS-200离子推力器放电室性能的研究

离子推力器放电室内永久磁铁产生的磁场大小及分布对提高放电室放电效率和约束等离子体起着非常重要的作用。利用离子推力器性能模型并结合试验测得的束流离子生产成本，分析放电室内磁感强度大小对LIPS-200离子推力器放电室性能的影响。数值计算结果显示永久磁铁厚度增加1mm，放电室内的磁感强度从原来的5．0×10^-3～3．0×10^-2T增加至1．0×10^-2-5．0×10^-2T。理论分析结果显示磁感强度增加50％，原初电子平均约束时间增加49．9％、原初电子和中性气体之间的碰撞概率增加6．9％、离子损耗减小64％、束流离子生产成本降低18．1％、推进剂利用率提高7．4％。放电损耗、推进剂利用率与磁感强度大小呈线性关系。该研究能够为今后离子推力器设计提供一定的参考。