HET-450大功率霍尔电推力器仿真分析及试验

针对大功率霍尔推力器耐受强热载荷不易稳定工作、宽放电电压范围调整难以高效电磁调控等关键难点,兰州空间技术物理研究所与哈尔滨工业大学联合开展了10 kW级以上大功率霍尔推力器技术研究,开展了热分析设计,并建立热仿真模型,计算获得关键组件稳态温度,结果显示各部位温度均满足设计要求;同步建立了PIC仿真模型,进行了80 mg/s固定流率下,不同电压下电离特性分析,结果表明推力器放电腔口径较大情况下,电压低会使工质利用率降低从而导致推力器效率低;进一步,开展性能分析,得出600 V阳极效率低于500 V时工况,分析为电离不充分和壁面能量损失所致;此外,基于实验样机开展了试验研究,实现30 kW功率下的稳定工作,表明针对性热防护设计具有较好效果,并采用激光干涉推力测量法,获得推力为1.33 N,与仿真数据所得1.38 N偏差在5%以内,具有较高的符合度,表明推力器设计合理有效。

宏观放电参数对大功率霍尔推力器点火启动过程初始阶段影响的研究

为研究宏观放电参数对大功率霍尔推力器点火初始阶段的影响,首先在一台10 kW霍尔推力器上实验测量了点火初始阶段不同宏观放电参数下的阳极电流变化特性,然后采用PIC数值模型计算了不同放电电压和质量流量下点火初始阶段阳极电流和离子密度的变化特性。结果表明:增大放电电压与质量流量都能够增大点火启动过程初始阶段阳极电流的上升斜率,而增大磁场强度会降低点火启动过程初始阶段阳极电流的上升斜率;放电电压和质量流量的改变不会引起点火初始阶段电子和中性气体发生碰撞电离位置的改变。

小功率氩电弧推力器性能实验研究

为了对适合小卫星使用的电弧加热推进系统的优化设计提供一定的参考，自行设计了输入电功率数瓦至数十瓦的小功率电弧等离子体推力器及其运行性能实验系统，包括一种气动小推力的间接测量系统。对四种不同喷管结构和尺寸的小功率电弧推力器，实验检测了所产生的推力随着弧电流和推进剂流量的变化。结果显示：在气流量4．5～10．5mg／s，输入功率3～35W的条件下。推力器产生的最大推力约为9．7raN，最大比冲约为110s；减小喉道直径，适当增加扩张比有助于提高小功率Arcjet的性能；当弧电流在10～110mA范围内变化时，弧电压的变化范围约为210～280V，气体的放电形式有别于传统的电弧加热推力器。

LHT40低功率霍尔推力器放电特性试验

为了获得300 W级混合励磁模式低功率霍尔推力器的放电特性,采用一套高精度激光微推力测量装置和集成离子流诊断装置获得推力器不同工况下推力、比冲、效率、束流发散角和质量利用效率的变化特性。试验结果表明,推力器的推力、比冲、阳极效率在200~300 V存在一个最大值;放电电流、放电电压呈现无阻尼谐波振荡特性,其一阶频率大约4.05 kHz。在恒定电场和磁场下,推力器束流离子电流密度呈现双极扩散的结构;阳极流率增大至0.95 mg/s时,离子电流密度呈现典型的双峰结构,质量利用效率与质量流率呈现正相关的特性。

50kW级高功率霍尔推力器放电通道数值模拟研究

高功率霍尔推力器兼顾了比冲高、推力大、寿命长等特点。为了提高设计效率并考察热负荷问题,以50 kW级霍尔推力器为对象,采用单元粒子法(PIC)/蒙特卡罗碰撞模型(MCC)/直接模拟蒙特卡罗碰撞模型(DSMC)混合算法,建立二维对称计算模型。基于准电中性假设、中性原子考虑为背景气体,计算得到标准工况下(功率50 kW,流量86.4 mg/s)推力为2.2 N,比冲为2598 s,与同类推力器实验结果对比,误差分别为5.18%和3.35%。在此基础上,考察了多种工况下(工作电压400~600 V,工质流量69.12~103.68 mg/s)放电通道内离子数密度、离子轴向运动速度、电子温度分布等参数。结果表明:增大工作电压会增强粒子间相互作用及离子加速喷出效果,流量调节影响电子温度和离子数密度分布;从推力器性能方面来看,增大工作电压,推力比冲随之增大,流量增大、推力增大,推力器的热损失功率占比达到15.94%。研究结果为高功率霍尔推力器的设计和实验提供了一定的参考依据。

阴极位置对大功率霍尔推力器点火过程影响的研究

为研究不同阴极位置对大功率霍尔推力器点火过程的影响,测量了一台10 kW霍尔推力器不同阴极位置下的点火冲击电流,采用PIC数值模型计算了不同阴极位置下推力器点火过程中离子密度变化特性。结果表明:与阴极外置结构相比,尽管阴极中置结构下点火过程初始阶段的阳极电流增长速率较慢,冲击电流峰值出现较晚,点火过程演化速率较慢,但点火冲击电流峰值更小,推力器点火成功后向稳态放电转换过程中低频振荡放电电流的平均值和峰值较小,且推力器点火过程中羽流的周向对称性更加良好,造成这些差异的主要原因是由于阴极所处的位置不同导致其初始发射电子所处的磁场环境不同。

磁屏蔽对小功率霍尔推力器性能的影响机理

霍尔磁屏蔽技术是一种延长推力器工作寿命的技术,但对于小功率霍尔推力器而言,磁屏蔽作用会对推进性能产生较大的衰减影响。为深入研究这种影响机制,本文建立一种结合单元粒子法(PIC)/等离子体化学动力学碰撞(PCD)的模型来求解霍尔推力器等离子体流场。为验证数值模型的正确性,在真空舱内开展验证试验,针对无磁屏蔽工况和高强磁屏蔽工况分别进行推力、特征光谱的测量,以同等工况下的计算值和试验测量值进行对比,验证模型的精度。在此基础上,利用数值模型针对四种工况下的推力器光功耗数据进行计算,并分析相关规律的物理机制。结果表明,光功耗是影响推力器性能下降的主要因素,最强磁屏蔽工况中的光功耗能效可超过24%(无屏蔽工况:13.6%),该特性与电子温度分布整体外推、电子升温有直接关系,而本质原因在于放电室出口位置的磁镜磁场构型。

小功率磁阳极霍尔推力器设计及特性研究

常规霍尔推力器通常采用同轴磁路或者分立磁柱结构。同轴磁路中放电室、阳极完全被磁屏罩住,热量使磁路温度攀升,导致磁性能急剧下降。分立磁柱磁场沿放电室圆周分布不均,影响推力器性能。霍尔推力器放电室陶瓷结构材料对高电压敏感,使比冲进一步提高受限。本文开展小功率磁阳极霍尔推力器设计和研究,将磁屏、阳极和放电室融合起来,以金属代替陶瓷放电室适应更高电压;通过提高面容比、辐射窗口和应用热导结构,降低核心区温度;应用宽包络外磁柱,解决磁场圆周分布不均问题。通过热、磁仿真表明:100、300 W下推力器核心区温度不高于290℃,650 W下不超过420℃,与实测温度相符合;磁导梯度达到50×10~(-4) T/mm,磁场均匀性为54%。对小功率磁阳极霍尔推力器开展了热稳定性和工作性能研究。

离子风飞机推进电极阵列的推力影响因素

离子风推进器具有结构简单、静音性好和可微型化的特点,应用前景广阔,但缺乏对其推力和推力功率比(推功比)的多因素系统研究和多级电极阵列试验数据支撑。该文分析电极形状尺寸和电极阵列结构等对推力和推功比的影响。研究表明:当导线电极直径为0.2~0.6mm、翼型电极弦长为50~70mm以及型号为NACA0010、NACA0020时,减小导线电极直径或增大翼型电极前缘半径,推力增大,推功比减小;增加翼型电极弦长,推力增大,推功比也增大。当电极阵列组间距为80~240mm时,间距越小,推力和推功比越大;当电极阵列对间距为100~200mm时,间距越小,推力和推功比越小。矩阵式排列中,1×n结构具有给定电极组数下的最大推力和推功比。实测推进电极阵列产生推力3.2N,为离子风飞机飞行推进试验创造了条件。

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。

支线飞机减推力起飞技术应用研究

针对目前广泛采用的假设温度法和减少额定推力或功率法两种减推力起飞技术,从适航规章要求、安全水平以及使用差异三个方面对其在支线飞机上的应用进行对比分析,结果表明支线飞机应以减额定推力或功率起飞方式为主。

空间核电推进技术发展研究

空间核电推进系统具有高比冲、大功率、大推力和长寿命等特点,广泛适用于未来大型空间探测任务.在调研国外核电推进技术发展和空间应用情况的基础上,针对大型深空探测任务介绍基于核裂变反应堆的核电推进系统国外发展现状,总结核电推进系统所涉及的主要技术内容和已经取得的成果,梳理关键技术,并归纳了核电推进技术的发展趋势,最后对中国发展核电推进技术提出建议.

小功率氨电弧推力器性能研究

采用自行设计的小功率电弧推力器和小推力测量装置，以氨气为推进剂，系统测量了推力器在不同推进剂流量和弧电流条件下的推力和弧电压数据，导出了对应条件下的比冲和推力效率，并对推力器性能进行了分析。实验结果表明：当推进剂流量为150-450mL／min时，推力器可在输入功率小于100W的条件下稳定运行，比冲最大接近250s。

小功率氮电弧推力器的性能

采用自然辐射冷却结构的小功率电弧推力器,实现了以氮气为推进剂的长时间稳定运行。采用间接测力方法得到推力,利用铜镜反射法拍摄喉道处的放电状态,结合测量的弧电压、弧电流和气流量数据以及导出的比冲和推力效率,对推力器运行性能和放电特性进行了研究。结果显示:在气流量为100~700mL/min,输入功率为35~55W的条件下,最大推力约为24mN,最大比冲接近175s,当弧电流为80~120mA范围内变化时,弧电压变化范围为420~520V,并且弧电压随气流量的增加呈现出先下降后上升的趋势。