大功率等离子体电推进研究进展

大功率等离子体电推进具有推力大、比冲高、效率高、尺寸小等优势,是载人深空探测任务最具竞争力的推进技术之一。针对稳态等离子体推力器、阳极层推力器、磁等离子体动力推力器、可变比冲磁等离子体推力器和螺旋波推力器等,对等离子体电推进的国内外研究进展进行了论述。从大功率等离子体推力器、超大容量推进剂贮存与供应、大功率高电压电能变换与供应、大功率等离子体推力器试验验证等角度分析了大功率等离子体电推进的关键技术,对我国大功率磁等离子体电推进的发展提出了梳理需求、制定技术路线、提升成熟度和进行集成演示等建议。

大功率射频场反构型等离子体电推进研究

大功率(MW级)射频场反构型等离子体电推进具有高比冲、长寿命、大推力和高效率的特点,是未来深空探测或空间货运极具竞争力和应用前景的电磁推进技术。针对国内外当前大功率推力器的研究进展,对比分析了场反构型等离子体推力器的独特优势,并对其结构和工作原理进行了介绍。从大功率射频场反构型等离子体电推进的磁拓扑结构优化设计、大功率脉冲电源技术和场反构型等离子体推力器的试验验证等角度分析了大功率场反构型等离子体电推进的关键技术。

1A级射频感性耦合等离子体中和器电子引出特性研究

为解决低轨道吸气式离子电推力器的电中和问题,设计了一套抗氧化能力强、长寿命的1 A级氙工质感性耦合等离子体中和器,实验研究了发射孔径对其电子引出特性的影响。实验结果表明:发射孔径的变化,会对中和器电子引出电压、饱和电流和工质利用系数产生较大的影响,且在部分孔径下发现了电子束流随引出电压上升时出现二次跃变现象,根据工质利用系数和电子引出功耗比确定出中和器最优发射孔径为1.5 mm;电子束流引出为1 A时,工质利用系数达到27.7,电子引出功耗比为94.6 W/A。同时,测试了中和器温度对工作稳定性的影响,中和器热平衡状态下与点火初期相比中和器电子引出性能下降约10%。

大功率无电极高密度等离子体电磁推进概述

无电极高密度等离子体电磁推进技术已成为未来深空探测、载人航天和货运、太阳能电站以及航天器在轨服务与维护等空间任务中极具竞争力的核心推进技术之一。在梳理不同无电极等离子体电磁加速机制基础上,开展大功率无电极高密度等离子体电磁推进技术性能对比,给出新概念无电极场反构型电磁推进技术向未来超大功率拓展的优势和发展潜力,同步分析了该技术亟需解决的关键基础问题,旨在为中国新概念场反构型电磁推进技术的研发提供理论基础。

应用于电推进的碘工质电子回旋共振等离子体源

电子回旋共振(electron cyclotron resonance,ECR)源具有无需内电极、低气压电离、等离子体密度较高和结构紧凑等优点,适用于小功率电推进.因此,研究小功率碘工质ECR等离子体源具有重要意义.本文首先设计了一套耐腐蚀且可以均衡稳定输出碘蒸汽的储供系统;然后完成了耐碘腐蚀ECR推力器设计,利用耐腐蚀的同轴谐振腔结构将微波馈送到推力器,并将通道磁场变为会切型磁场以产生更多ECR层;最终联合点火实验成功,成为国际上首个可以用于电推进的ECR电离碘工质等离子体源.分析实验和静磁场、微波电场分布发现,小功率、低流量下的不稳定等离子体羽流闪烁由寻常波电子等离子体共振加热和非寻常波ECR加热模式之间的转化引起.高流量下电离率下降是由电子损失、壁面损失和碘工质电负性导致.并依据此原理提出了改进方案.放电后等离子体源没有明显损伤,说明具备长寿命潜力.此项工作初步证实了小功率碘工质ECR电推进方案可行.

大功率等离子体炬电源的研究

目前等离子体炬电源的移相触发电路大都是模拟式触发电路,器件参数较为分散。针对其调试和使用不便,产生的脉冲对称性差的缺点,提出并研究了基于CPLD技术的数字式等离子炬电源,介绍了大功率等离子炬电源的触发电路和控制回路。实验证明,基于CPLD数字移相触发电路产生的触发脉冲稳定性好,抗干扰性强,能实现相序自适应。由于控制回路添加了PID调节环节,在外干扰电压下,等离子炬能稳定运行长达2小时左右,功率达到1.5MW,具有效率高,动态响应快的优点。

电推进等离子体对航天器表面带电影响的理论研究

电推进在轨工作时将产生低温稠密等离子体,与地球同步轨道的空间离子体特性存在较大差异,且等离子体中的低速交换电荷离子易受到卫星表面电位的作用,形成返流并作用于卫星表面材料,对航天器表面充放电效应产生重要的影响。为此,综合考虑材料二次电子和背散射电子发射电流,分析电推进产生等离子体充电电流特性,基于充放电平衡方程进行电推进等离子体及空间等离子体共同作用下的表面带电机理研究。研究结果表明:地磁亚暴时期,航天器表面受到地球同步轨道等离子体的影响,其表面电位可高达–10~4 k V;电推进工作时,其羽流等离子体充电电流为10-3 A/m^2,远大于空间等离子体充电电流,从而成为卫星表面带电的主要影响因素;同时电推进等离子体将航天器表面电位中和至–10 V,即电推进交换电荷返流可以有效缓解由空间等离子体造成的危害性表面充放电效应。

小功率电弧等离子体发动机实验数据采集系统

介绍了小功率电弧等离子体发动机的实验装置及数据采集系统 ,阐述其结构组成及工作过程 ,重点介绍了发动机工作推力、电流和电压的测量原理 ,并对数据采集系统的硬件配置、性能及软件的编制的原则、方法作了主要说明 ,给出典型实验所测结果 .测量结果准确反映了实验工作过程 .

脉冲等离子体电推进系统实验技术研究进展

脉冲等离子体电推进是一种利用电容器脉冲放电产生电磁场,带电粒子被电磁场加速而产生推力的电推进系统。由于其结构简单、输入功率小、比冲较高,在微小卫星领域具有很好的应用前景。PPT从原理样机到飞行产品阶段需要进行大量实验,同时调研了英国、美国、日本以及国内部分高校的PPT电推进系统实验,从性能实验、环境实验、寿命实验方面讨论了PPT电推进系统需要开展的实验项目,其中性能实验包括元冲量测量、电参数测量、烧蚀质量测量、羽流诊断,环境实验包括力学、真空和EMC实验。

超大功率霍尔推力器放电参数影响仿真及试验

针对超大功率霍尔推力器放电参数特性评估,开展放电电压和流量等参数变化对性能影响的仿真及试验研究,以确定推力器设计最优匹配的放电电压及放电电流工况。建立了Particle-in-Cell(PIC)数值仿真模型,并搭建了HET-450大功率霍尔推力器试验平台;针对变放电电压、变流量下推力器放电特性,仿真计算给出了放电通道内原子密度、电势以及电子温度等分布,探究了推力器电离和加速运行机理,进一步,结合试验,开展了放电电流、推力等比对分析。结果表明:放电电压从300V增加至500V过程中,电离效率逐渐提升,因而放电电流、推力以及阳极效率均递增,而继续增加放电电压则会导致过热场的产生,离子与壁面作用增强导致电离出的离子再次复合,工质利用率下降的同时壁面损失增加,宏观表现为阳极效率的下降。此外,仿真与试验所获得放电电流、推力等结果符合良好,说明建模合适;在500V,80mg/s条件下,推力达2.1N、阳极效率60%,达到设计要求,表明设计合理有效。

5kW离子电推进大功率屏栅电源的设计研究

针对航天器用5kW离子电推力器核心供电模块屏栅电源的技术需求,采用移相全桥技术设计了低电压输入高电压输出的大功率屏栅电源模块。对比分析了零电压开关ZVS和零电压零电流开关ZVZCS两种移相全桥方案后,得出ZVZCS更适合于电推进屏栅电源的设计。提出了ZVZCS移相全桥变换器CDD无损缓冲电路中辅助电容的设计方法,论述了屏栅电源功率级和控制电路的设计过程。通过实物产品验证表明:采用ZVZCS移相全桥技术设计的屏栅电源模块能在较宽的负载范围内实现超前桥臂和滞后桥臂的软开关,提高了变换器的效率;采用CDD无损缓冲电路能辅助实现滞后桥臂的零电流关断,降低原边电流的损耗,同时降低高压整流管的电压应力。在具备完善的输入滤波、浪涌抑制及母线开关等功能以后,最大功率下效率>95%。

大功率空间核电推进技术研究进展

大功率空间核电推进系统是空间核电源技术和大功率电推进技术的高度融合,具有高能量密度、超高比冲、较大推力的优势,可适用于超大型航天器轨道转移任务、远距离无人深空探测任务、载人火星等大型深空探测任务,能够极大地拓展人类深空探测的能力。本文针对大功率空间核电推进技术,对其工作原理和系统组成进行了介绍,同时开展了关键技术梳理,重点归纳了国内外在技术领域的研究历程和最新进展。

螺旋波等离子体推进研究进展

螺旋波等离子体推力器是一种新概念磁等离子体推进装置,以其电离率高、无电极烧蚀、寿命长、比冲高等优点受到国内外学者的广泛关注,该新型推力器在未来长寿命深空探测器和卫星的动力系统中具有广阔的应用前景。概述了螺旋波等离子体推力器的系统组成和工作原理、重点介绍了该推力器的研究进展、现状和关键技术,总结了国外在研的四种典型的推力器结构类型,并根据实际情况,提出了国内螺旋波技术在电推进领域的研究方向和发展思路。

基于发射光谱法的螺旋波电推进器等离子体源放电实验研究

为探究不同气体条件下螺旋波电推进器等离子体源的放电特征,开展了氩气、氦气和氮气放电的光谱诊断实验研究。氩气和氦气为工质气体的放电条件下,部分波长谱线相对强度随功率的增加而增强,且斜率出现两次跳变,考虑是螺旋波放电过程中的模式转换,即容性向感性、感性向波模式的转换。三种工质气体,在较低的压强下,各谱线强度均随压强增大而迅速增强,但氩气放电下压强继续增大达到1.0Pa以后,谱线强度增强趋势变缓甚至达到“饱和”状态,而氦气和氮气放电下压强增大到0.5~0.65Pa,谱线强度出现降低趋势,氦气和氮气放电强度对压强更为敏感。

微脉冲等离子体推力器放电过程和性能初探

针对平板烧蚀型微脉冲等离子体推力器(μ-PPT),开展了放电过程研究和性能表征。根据放电过程的电学测量和等离子体区域的发光行为分析,研究了μ-PPT的基本放电特点和放电形态演变。从空间分布看,μ-PPT放电空间可分为3个区域(阴极区、弧柱区和阳极区),随着放电间隙的减少,阳极区逐渐消失。从时间分布看,μ-PPT放电是由多个幅度不同的脉冲放电构成,放电回路和放电间隙的阻抗分布决定放电脉冲的数量,一定条件下可以发生单脉冲放电。根据μ-PPT等离子体区的电流片模型,估算了μ-PPT元冲量和推力等基本性能参数。结果表明,放电间隙和烧蚀量对μ-PPT性能参数有重要的影响,相同脉冲放电能量时,放电间隙越大,元冲量越大,烧蚀量也越大,导致比冲越小。放电时空形态是影响μ-PPT的元冲量和比冲的关键因素,因此,开展放电回路和放电间隙的阻抗优化研究是提高μ-PPT性能的有效途径。

螺旋波等离子体推进器中双层形成的PIC模拟

建立了螺旋波等离子体推进器中双层等离子体形成过程的一维全粒子PIC模型,讨论了放电过程中电子加热模型和等离子体膨胀模型,计算了不同条件下螺旋波等离子体推进器中双层等离子体的分布。结果表明：采用氩气工质,在射频电流90A/m^2和工作压强0.05-0.15Pa的条件下,可产生双层等离子体,其密度为1.3×10^15-2.8×10^15 m^-3,双层电势降为10-30V,可加速氩离子束流,喷射速度为3-12km/s,双层加速效应对推进器的性能具有一定影响。

大功率离子推力器屏栅电源拓扑技术进展与展望

将离子推力器电源处理单元(PPU)的屏栅电源拓扑作为研究对象,从电推进发展现状及趋势出发,介绍了国内外的研究进展和应用情况。主要就目前屏栅电源所用到的双全桥并联拓扑、全桥谐振变换器、推挽变换器组成的组合变换器拓扑和全桥软开关拓扑进行论证分析,归纳了各屏栅电源拓扑的技术特点,最后结合我国今后PPU屏栅电源的发展需求,对屏栅电源新技术、新拓扑和功率量级等3方面作出展望,可为今后研制超大功率PPU屏栅电源提供研究方向与技术参考。

螺旋波等离子体推进器原理研究

电推进作为一种新型推进技术已受到国内外航天界的广泛关注,且已成功应用于卫星、深空探测器等任务。在众多电推进器中,螺旋波等离子体推进器以其无须电极、比冲大、使用寿命长、性能高等优点成为近年来人们重点研究的对象。文章首先从螺旋波等离子体推进器的发展历程、研究现状和发展态势等角度进行了系统介绍;然后对此种推进器的结构组成以及推进原理进行了阐述;并对几种典型离子加速方式进行了研讨;最后对螺旋波等离子体推进器的应用前景进行了展望。

毛细管放电型脉冲等离子体推力器输出特性分析

为了研究毛细管放电型脉冲等离子体推力器输出特性,借助电学诊断手段展开实验研究,获得了推力器典型放电波形,系统研究了不同毛细管内径和施加电压对等离子体等效阻抗、沉积能量效率的影响规律。利用微冲量测量台架,测试了不同参数下毛细管推力器输出元冲量,并通过计算获得了推力器比冲、总体效率的变化规律。实验结果表明,当毛细管内径不断增大时,能量沉积效率不断下降,元冲量下降,比冲降低。主电容电压增大时,放电能量不断增大,能量沉积效率降低,元冲量和单次等效烧蚀质量不断增大,但推力器比冲和总体效率均先增加并趋于稳定。当毛细管腔体长度为16mm,内径3mm,主电容2.5μF,充电电压为2kV时,输出元冲量350.79±7.50μN·s,比冲531s,总体效率可达18.3%。

脉冲等离子体推力器放电电离特性的数值研究

推进剂烧蚀产物的电离过程直接制约着等离子体的产生及其特性,是决定脉冲等离子体推力器(PPT)工作效能的关键因素。为了准确描述PPT放电电离特性,提出了基于热化反应的烧蚀边界层和等离子层耦合模型,并以LES-6 PPT为例进行数值研究,揭示了脉冲电流激励下PTFE烧蚀与离子化过程所产生的多种组分在放电室内时空分布特性。结果表明,烧蚀并电离出的等离子体主要以一阶电离形式存在,其中C、F元素的离子化区域分别集中在上、下游放电通道内;高度电离且短期存在的C、F离子(二价和三价)主要出现在放电初期;等离子体各种组分浓度的峰值时刻与羽流实验数据基本吻合。该研究为探究PPT放电能量分配及损失机理提供了理论参考。