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。

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。

高分辨率阻滞势分析仪设计与验证

为提高电推进羽流离子能量分布测量分辨率,设计研制了结构尺寸为Φ19 mm×24 mm的4栅型阻滞势分析仪(RPA)。设计关键参数为栅网网孔直径为0.3 mm,网孔心距为0.5 mm,电子排斥栅和离子阻滞势栅间距2 mm,能量分辨率为9.8%。RPA在LIPS-200离子电推进羽流区验证的结果表明:离子能量分布在955~1 047 eV,离子能量平均值为1 001.0 eV,ΔE_(FWHM)为36.1 eV,能量分辨率为3.6%。在LHT-40霍尔电推进羽流区验证结果表明:离子能量分布在220~279 eV,离子能量平均值为249.6 eV,ΔE_(FWHM)为23.4 eV,能量分辨率为9.4%。该RPA离子能量分辨率指标优于国内外同类产品,具有更小的测量不确定度。

5A发射电流空心阴极热特性模拟分析

采用有限元分析方法,建立了国产5 A空心阴极的热仿真模型,并进行了模型校验和典型工况下的温度场分析。结果显示:模型能够较好地反映空心阴极内部的能量传动过程,温度的仿真结果与试验比对误差小于5%;加热电流是造成空心阴极温度差异的主要原因;环境温度主要影响着空心阴极的外部部件温度,并且在太阳辐照影响时的高温环境更有利于推力器的启动;空心阴极加热且处于自持放电状态时,发射体温度在环境温度0℃和94℃下分别达到2 122℃和2 126℃,已接近发射体材料的耐温极限,因此空心阴极必须避免此极端使用工况。

碳类粒子对固体推进剂束流发散角度影响的实验研究

以石墨烯和碳粉两种碳类粒子作为掺杂剂定向改性固体推进剂,借助高速摄影技术和自搭建的束流发散角度测量系统,对比并分析不同掺杂比例和工作条件对改性推进剂束流发散角度的影响,确定了掺杂粒子的最优掺杂比例和工作条件。结果表明,石墨烯和碳粉的最优掺杂比例均为7%,且石墨烯的束流发散角度更小,生成稳定等离子体流的响应时间更短。同时,石墨烯更适配于小激光能量供给下的工作条件,而碳粉更适配于大激光能量供给下的工作条件。

ECRIT等离子体特性数值模拟分析

针对航天器推进系统电子回旋共振离子推力器(ECRIT)电离效率易受放电室结构参数和工作参数影响,主要技术参数之间存在耦合不能单独优化的问题,文章采用多物理场仿真软件开展数值模拟,利用自适应函数细化电子回旋共振(ECR)区网格法提高仿真精度,探究不同磁路结构参数、工质气体、天线构型、微波功率对ECR推力器性能的影响规律,使电子在ECR区能够获得最大能量,经部分试验验证(微波输入功率和工质气体对放电影响),结果表明:磁环间距、内磁环-波导小端面距离和磁体高度对ECR区的分布影响较大,磁体宽度的影响较小;氙气的电子数密度高于氩气;L型天线电子密度和功率沉积高于杆天线;电子数密度和碰撞功率损耗随着入射微波功率增大而增大,可为ECR推力器设计提供参考。

电推进粒子网格法模拟中计算加速方法的研究综述

粒子网格法(PIC)模拟电推进装置等离子体时具有很强的第一性,但是模拟过程中计算负载很大,故PIC模拟的计算加速方法不可或缺。本文从电推进装置基本性质、低温等离子体物理特性和PIC算法特点作为切入点,明确了PIC方法在电推进装置模拟过程中计算负载高的原因;结合国内外的研究现状,从建模、时空尺度、算法与并行三个层面介绍了对应计算加速方法的原理和效果;对各类计算加速方法进行了总结和展望。

硝酸羟胺基固体推进剂电控燃烧特性实验研究

硝酸羟胺基固体推进剂以硝酸羟胺(HAN)为氧化剂,聚乙烯醇(PVA)为粘合剂,具有可电控燃烧、产气无毒害、能量特性好的特点,然而工作性能不稳定、点火机理不明朗的问题是限制其工程实际应用的主要因素之一。针对以上问题,制备了不同成分配比的推进剂,利用扫描电镜能谱仪和电化学工作站对推进剂的微观形貌、元素分布和电导率进行分析,然后对推进剂的点火功率、推进剂温度、火焰结构、熄灭特性进行实验研究并优选了最佳成分配比。实验结果表明,推进剂中PVA的含量越高,PVA分子链交联形成的骨架结构越紧密,造成推进剂的电导率更低,所需的点火功率更高,燃烧过程中推进剂表面温度也会更高,熄灭后推进剂的自分解会更剧烈,不利于推进剂的高效燃烧和重复点火。PVA的最佳质量分数为18%。另外,电化学阻抗是影响推进剂电能注入的重要因素,PVA含量过低会导致电能难以注入,使得推进剂表面无法达到点火温度。

离子电喷雾推力器束电流数学模型与敏感性分析

虽然阵列式结构的离子电喷雾推力器具有小体积、高比冲、高推力分辨率等优点,但是其发展受到了缺乏理论研究的限制。针对该问题,基于多点发射现象发展了描述推力器束电流的数学模型,并通过智能优化算法对模型中的经验系数进行了辨识,研究了高、低电压下束电流及发射行为存在的不同特征。基于Sobol方法进行了全局敏感性分析,研究了发射体结构的几何参数对束电流的影响程度。模型计算结果与试验结果基本一致,当电压大于1.5 kV时,发射点基底半径与多孔储层孔隙半径相当,外加电场主要影响束电流的非线性增加;电压小于1.5 kV时,发射点数量较少,基底半径是多孔储层孔隙半径的1.5倍,发射点数量是影响束电流大小的关键因素。敏感性分析结果表明,发射体尖端与提取极之间的距离对束电流的影响程度最大,其1阶敏感性指数为0.841,在加工制造中须严格控制其公差大小。

光谱卫星LPPT-25微电推进系统飞行试验工作性能评价

基于光谱卫星任务需求,兰州空间技术物理研究所开展了脉冲等离子体微电推进系统方案设计,以此完成25W级脉冲等离子体电推进系统飞行样机研制,并开展了地面各项测试,均满足需求。为了进一步验证该系统的空间环境适应性、与航天器的相互兼容性、空间工作特性及空间飞行性能与地面数据的差异性,LPPT-25微电推进系统搭载长光卫星公司光谱星一号(GP-1)卫星开展了在轨飞行试验,对脉冲等离子体电推进系统在轨飞行试验结果进行了评价。结果表明:在整个飞行试验期间,脉冲等离子体电推进系统各项工作性能参数符合设计指标要求,电推进分系统工作正常,推力输出稳定,各遥测温度满足推进要求的控温范围;电推进推力标定为306.3μN,相比地面测试推力300μN,偏差在5%以内,体现了良好的天地一致性。

离子发动机栅极材料差分溅射产额分布特性仿真

针对离子发动机栅极溅射原子空间分布不明确导致栅极腐蚀模型预测偏差大的问题,采用SDTrimSP程序模拟离子轰击栅极材料的溅射过程;系统研究离子入射能量、入射角度以及离子种类对钼栅极材料差分溅射产额的影响。发现正入射条件下的差分溅射产额仿真结果与实验具有较好的一致性。重点关注斜入射条件下差分溅射产额在不同方位角下的分布轮廓,并通过Modified-Zhang公式对差分溅射产额进行拟合,以拟合结果作为材料边界条件输入溅射腐蚀—再沉积模型,较为真实地模拟了栅极材料的腐蚀过程。以上研究可为离子发动机栅极组件腐蚀形貌的精确预测提供参考。

空间超高比冲推进技术综述

比冲是衡量空间推进系统效率的核心指标,持续提高比冲是空间推进技术发展的永恒追求,以木星以远行星际探测为代表的复杂宇航任务对空间推进系统提出达到超高比冲的要求。系统梳理了超高比冲空间推进的主流技术路线,从静电加速机制、电磁场加速机制、新型推进剂加速机制以及新能源加速机制等方面阐述了实现超高比冲的技术途径,分析了提升比冲的关键技术,给出了超高比冲技术发展建议,展望了超高比冲技术的应用前景,为超高比冲技术突破提供参考。

基于均匀磁场标定的微动力测试平台研究

针对微纳卫星的微动力测量问题,设计了一种可对mN级微动力进行测试与分析的扭摆型微动力测试平台;基于电磁力法,采用通电导线和电磁铁组合的方式设计了该测试平台的关键装置--微小标定力产生装置。利用高精度电子天平和激光位移传感器对微动力测试平台进行了静态标定,并通过对导线在磁场中不同位置进行标定实验,得到重复性误差为0.264%,验证了均匀磁场标定的可行性;采用阶跃响应法对测试平台的系统参数进行了标定,最后对微动力测试平台的不确定度和标定方法带来的误差进行了分析。结果表明,该测试平台的测量范围为1~400 mN,分辨率约为1 mN,静态标定的不确定度为8.41 mN,标定方法误差为0.84%,误差较小,能为微动力测量提供一定的技术参考。

国内外多模式离子推力器的性能对比

多模式性能是离子推力器产品应用及产品研制过程中需考虑的重要性能之一。通过对国内外成熟度较高的离子推力器产品的多模式性能对比分析,获得了不同类型离子推力器的多模式性能变化规律,证明了国内离子推力器的多模式性能已达到与国外先进多模式离子推力器相当的水平。定义和对比分析了多模式离子推力器的性能调节能力,结果表明直流环切场推力器性能调节能力最好,射频放电推力器次之,直流发散场推力器最低。

低功率平面型霍尔推力器的工作特性研究

为了解决低功率霍尔推力器存在的寿命问题,本文设计了一种平面型霍尔推力器。该推力器取消了内部放电通道,前壁和阳极在同一平面,电离和加速过程完全发生在推力器外部的开放空间中。推力器在0.6~1.0 mg/s的氙气流量下,实现稳定放电。本文实验研究了不同运行参数下推力器的阳极电流特性、推力特性和羽流束流特性。结果表明,阳极电流的振荡频谱主要集中在20~60 kHz,与常规霍尔推力器的呼吸振荡频率范围相似。在62~245 W的功率下,推力为3.2~10.5 mN,阳极效率为8%~22%。推力水平与同功率等级的传统霍尔推力器相当,而阳极效率偏低。利用法拉第探针获得离子的束流特性,结果表明:较低的羽流发散效率是造成目前推力器阳极效率偏低的主要因素。结合实验结果,分析了平面型霍尔推力器与传统霍尔推力器在离子加速方面的差异。本文设计的平面型霍尔推力器为解决霍尔推力器的壁面侵蚀问题提出了一种可能的方案。

核热推进系统分析程序模型与计算方法初步研究

核热推进(NTP)系统具有高比冲、大推力和工作时间长等特点,在深空探测和轨道机动等方面具有明显的优势。系统性能分析是NTP系统研发与设计的重要内容。结合对国际历史上已开发程序的分析以及现阶段的研发需求,将系统性能分析划分为稳态设计点性能分析与优化、稳态非设计点性能分析以及瞬态性能分析3个主要环节。在清华大学核能与新能源技术研究院自主开发的核动力发动机系统分析程序PANES基础上,提出了基于“流网-热网”的系统分析程序框架,并建立了反应堆中子动力学与涡轮泵动态特性等数学模型,提出了对应的计算分析方法,拓展了原程序的功能。该工作为NTP系统设计方法的进一步研究和应用提供了重要基础。

超临界RP-3在Kagome点阵填充冷却通道内流动传热特性

针对新一代超燃冲压发动机的换热需求,以超临界RP-3航空煤油为冷却剂,选用Kagome型点阵填充的冷却通道,通过数值模拟研究Kagome设置数量、流速及压强对流体流动、传热及压降特性的影响。结果表明,与光滑通道相比,给定工况下,增加Kagome数量可降低下壁面温度最多至40%,努塞尔数最高可达光滑通道的4.243倍;增大流速,Kagome通道的传热系数随之提高,同时也会产生传热恶化现象。在流动特性方面,流体冲击Kagome点阵产生旋涡及尾迹可以强化换热;肋柱导致通道截面积收缩,使得流速上升,也有利于换热;提高流速、增加Kagome数量会导致压强损失变大。

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。

电喷雾推力器单发射点电流模型及稳定性分析

为促进对纯离子模式下电喷雾推力器的深入理解,分析了电喷雾推力器单发射点受力、供液及离子蒸发行为,建立了发射电流理论模型,明确了电压、供液装置流阻等参数对发射电流的影响规律。所得结果与现有实验数据吻合良好。基于所得模型,进而对单发射点顶端用于发射离子的凸起结构进行了瑞利稳定性分析,得到了单发射点稳定发射的电流上限,并分析了流阻对电流上限的影响。结果表明:发射电流为外加电压的二次函数,与供液装置的流阻成反比关系;纯离子模式存在一个稳定发射电流上限,超过此上限,凸起结构便会破碎;流阻越大,发射电流上限越大。

磁场对电子回旋共振中和器等离子体与电子引出影响的数值模拟

10 cm电子回旋共振离子推力器(ECRIT)的ECR中和器是关键部件,其内部磁场是影响中和器性能的重要因素.磁场的均匀性和磁阱位置是磁场特征的重要表现,制约等离子体与电势的分布规律、电子引出过程及中和器性能.本文分别建立磁场均匀性低、磁阱位于电子引出孔上游和磁场均匀性高、磁阱位于电子引出孔下游的ECR中和器PIC/MCC模型,在给定参数条件下,开展等离子体和电势分布规律及电子引出过程的数值模拟研究并分析其对中和器性能的影响.结果表明,磁场均匀性高、磁阱位于电子引出孔下游时,中和器内整体电势分布较均匀,电子容易朝磁阱区迁移,低引出电势引出高电子束流,其性能高于磁场均匀性低、磁阱内置的中和器.研究工作将为发展高性能的ECR中和器奠定重要基础.