宽范围微牛顿量级场致发射电推力器设计

针对空间引力波探测任务卫星无拖曳控制对微牛顿量级场发射电推力器的宽、稳、准、快、久指标要求,需突破宽范围可调与分辨率和推力噪声之间的相互限制,从场发射推力产生的原理出发,并利用高精度单摆对模型精度进行标定,建立了基于流量、电压主动调节策略的推力调控模型,结合调控分辨率与响应速度的需求,提出的反馈控制策略使推力器在更宽推力范围内维持低推力噪声水平。最后对研制的推力器样机开展了性能表征,实现了0.86~83.54μN、<0.1μN的推力分辨率、在毫赫兹频段<0.1μN/Hz^(1/2)的推力噪声和定工质流量下<10 ms的推力响应时间。

场致发射电推力器羽流分布特性仿真

场致发射电推力器(FEEP)是微型电推进装置的典型代表。为深入理解结构参数对推力器性能的影响机制,本文采用PIC粒子模拟方法进行泰勒锥射流纳米尺度结构至宏观毫米尺度结构的羽流场仿真,并分析结构参数变化导致的羽流形貌差异及其对推力器性能参数的影响。研究结果表明:发射极高度是决定推力器束流是否会分叉的关键参数,低于300μm的发射极高度易于导致束流分叉并严重影响推力器性能和寿命;引出栅极槽宽是决定束流发散角和推力比冲性能的关键参数,其影响幅值可达30%~50%,羽流发散角随槽宽增加而增大,推力比冲随之减小;发射极-引出栅极间距对推力器性能影响相对较小,可在较大范围内支持推力器稳定高效工作。根据FEEP推力器性能随结构参数的变化规律,建议结构参数取值范围为:发射极高度500~1000μm,引出栅极槽宽2000μm左右,发射极-引出栅极间距360~1300μm。

基于会切场推力器无拖曳系统建模及参数优化

随着卫星重力测量技术的突破性进展,对航天器试验环境要求也在不断提高,航天器受到的残余扰动必须尽可能减小。作为中国将来重力场测量卫星备选主推力器的会切场推力器,其推力器的控制精度直接决定了测量的准确性。文章首先通过PID方法设计了位移模式下的无拖曳控制器,该控制器在预估阻力系数、参考质量与卫星本体的位移差、速度差等性能方面有良好的表现,在应对卫星运行时的突发情况时表现出很强的稳定性。但PID参数没有达到最优解,在此基础上对于该模型的控制精度进行优化,用遗传算法对PID控制的参数进行筛选。结果分析表明,会切场推力器的控制精度有所改善,NTW方向上的速度和位移误差均减小;推力阻力和显著减少;控制精度提高,更好地满足使用需求。

基于镓铯对比的场发射电推力器分析与研制

为解决场发射电推力器由于液态金属推进剂导致的工程化问题,分析并提出以金属镓替代现有推进剂铯的技术方案。基于推进剂镓铯物性对比,分析其对推力与比冲、发射尖端升温、热蒸发、氧化污染等的影响,论证了金属镓的工程化优势及缺点。通过研制金属镓场发射电推力器原理样机,探索并实现了液态金属镓在大气环境中的加注与润湿,在点火试验中获得准线性场发射形貌,表明金属镓是场发射推力器的良好推进剂替代物。

基于会切场推力器的无拖曳控制系统建模

为了研究航天器无拖曳控制系统的建模方法、评估会切场推力器性能以及传感器测量误差对无拖曳控制系统性能的影响,基于会切场推力器的性能实验数据,采用轨道动力学理论,大气阻力模型和PID控制设计方法完成了无拖曳控制系统设计,并对推力器推力分辨率、推力器瞬态响应时间以及传感器测量误差对闭环控制系统性能的影响进行了研究。仿真结果表明控制系统工作性能良好,推力分辨率以及传感器的测量误差对系统性能影响较小,但是推力器的响应延迟对控制系统精度造成较大影响,需要在后期的推力器设计中进行进一步的优化改进。综合考虑以上因素后,闭环系统在航天器速度方向的最大位移误差为747.51nm,最大速度误差为733.36nm/s,该仿真结果说明了会切场推力器应用于无拖曳任务的可行性。

用于场致发射电推力器的微发射针制造技术

通过对场致发射电推力器的微针尖成形机理的分析以及多次电化学腐蚀实验,研究了溶液浓度、浸润深度、腐蚀电压等因素对发射极针尖尺寸的影响,最后得出了电化学腐蚀加工发射针的最优化加工参数.在KOH溶液浓度为5 mol/L、浸润深度为2 mm、腐蚀电压为6 V等优化工艺参数下制作出发射针,并利用交流电粗化处理制作出了符合场致发射电推力器应用的发射极针尖.

场发射电推力器的研究现状及其关键技术

与传统的化学推进相比,电推进具有高比冲、小推力、长寿命等特点,能够大幅节省推进剂、增加有效载荷质量,从而增加航天器在轨寿命,提高航天器的整体性能与收益,特别适合用于航天器的姿态控制、轨道转移和深空探测等任务。场发射电推力器是一种具有比冲高、推力冲量分辨率高、推力噪声低、功耗及成本低、结构紧凑等优点的电推力器,是重力梯度卫星的高精度阻力补偿、微纳卫星的姿态控制和轨道转移、星座编队飞行等任务最有前景的推进技术之一。简述了场发射电推力器的工作原理、结构和特点,重点分析了国内外场发射电推力器的研究现状以及关键技术。

针式铟场发射电推力器的研制及实验特性

为了研制针式铟场发射电推力器实验样机,采用微细电化学腐蚀法制备了场发射电推力器的核心部件发射针,并对发射针进行了表面粗化以促进推进剂的输运,研究了真空环境中发射针的浸润方法,实现了推力器的点火,并测得了不同针尖尺寸的发射针的I-V特性曲线和推力值。实验结果表明,发射针针尖半径决定了点火起始电压的大小,针尖半径越小,点火起始电压越低;推力器样机有连续的推力输出,最大推力可达30μN。

铟场致发射电推力器的研制

基于场致发射电推力器工作机理,分析并设计了针型铟场致发射电推力器的结构,利用微细电化学加工方法制作了发射针,并对该样机的伏安特性及稳定性等进行了相关测试。结果表明,该样机可正常发射,稳定性良好。对场致发射电推力器发射特性影响因素的分析发现,发射针针尖顶点半径对发射伏安特性有显著影响,而吸极内孔径及吸极到发射极距离对伏安特性影响并不大。

微型镓场发射电推力器的推力和比冲测量

电推进技术的发展推动了微推力测量技术和比冲测量技术的研究进程。为了评估已研制出的微型镓场发射电推力器的性能,进行了推力和比冲测量。研制了一种用于场发射电推力器的微推力测量平台;进行了LabVIEW开发;对测量平台进行了标定与分析,并通过试验比较了推力实测值与理论值,实测值范围为3~28μN。另外,利用飞行时间法,测得推力器在不同发射电流下的比冲数据,比冲范围为5 917~8 875 s。

微型镓场发射电推力器的研制和点火特性

为了满足立方星等微纳航天器对推进系统的需求,研制出中国首台针式微型镓场发射电推力器。通过提高润湿温度解决了真空环境下镓难以充分润湿钨针等问题。实现了推力器的稳定点火,测试了不同润湿温度和不同几何参数下的点火特性。得到了发射电流随润湿温度提高、极间距减小和吸极内孔直径的增大而增大的关系。通过公式计算,给出了不同发射电流下的理论推力。通过电场仿真得到不同几何参数下的电场强度,揭示了几何参数影响发射电流的原因。

多级会切场推力器振荡特性模拟研究

目前多级会切场推力器(High Efficiency Multi-Plasma Thruster,HEMPT)数值模拟研究采用的主要手段是全粒子(Paticle In Cell,PIC)模拟方法,但是这种全粒子模拟对计算机的要求较高,因此文章通过建立HEMPT的一维流体模型,再现HEMPT的振荡现象,对放电电流和等离子体参数之间的关联性及等离子体参数分布规律进行研究。沿着两条典型的电子传导路径,利用MATLAB中Simulink模块建立一维流体模型。结果分析表明,推力器内部等离子体参数的振荡周期与放电电流振荡周期一致。推力器的主电离区在两个磁尖端之间,电势降主要集中在出口附近。

磁体几何尺寸对环形会切场离子推力器性能影响研究

不同直径的离子推力器系列产品,为磁场约束等离子体设备,磁路结构对于离子推力器性能有重要影响。文章介绍了利用有限元模拟软件MAXWELL对不同尺寸磁体产生的磁场位形进行模拟,进而研究不同磁体几何尺寸对离子推力器性能的影响。结果表明在闭合磁场等值线固定为50 G的前提下,较大厚度/宽度比的磁体产生更大的无场区体积,有利于离子推力器束流平直度的改进,从而提高离子推力器的性能。

自身场磁等离子体推力器数值仿真流场特性分析

磁等离子体推力器以其推力大、比冲高等特点,成为未来深空探测和星际航行任务首选的电推力器类型。研究推力器内部等离子体流场特性,有利于解释推力器出现的物理现象。针对特定自身场磁等离子体推力器,建立磁流体模型,使用TVD Lax-Friedrich格式以及ADI方法对推力器内部及羽流进行数值求解,得到等离子体流场及等离子体参数分布情况。仿真结果显示,在高电流工况下,等离子体羽流更加集中,轴向加速效果更加显著,但阴极温度较高,不利于阴极的使用寿命。

论现代科技对电影产业的“五场”推动作用

现代科技的创新给电影产业的发展带来了巨大影响。随着大数据、云技术以及VR等现代高新科技与电影产业的高度融合,很多新现象、新课题已经摆在每一位电影工作者面前。从"应用场""集聚场""体验场""演秀场"和"推动场"等"五场维度"实现电影产业与现代科技的融合发展,在电影产业新科技运用中,注重"工匠精神",坚持内容为王,保护知识产权,创新人才培养模式,中国电影将更加奋发有为,跃上世界之巅。

空间极小推力宽范围可调推进技术研究进展

空间极小推力宽范围可调推进技术是高精度航天器重点支撑技术,其性能决定了高精度控制任务的成败.在分析了空间极小推力宽范围可调推进技术内涵的基础上,对典型的宽范围极小推力冷气推进技术、电推进技术进行了国内外研究情况分析.研究分析了空间极小推力宽范围可调推进技术中涉及到的关键技术,如极小推力模型及高精度闭环控制技术、高精度流量驱动控制技术、高精度流量测量技术、高精度极小推力测试技术.对空间极小推力宽范围可调推进技术的发展现状和发展趋势进行了总结,给出了我国空间极小推力宽范围可调推进技术的发展建议.首次全面、系统地对空间极小推力宽范围可调推进技术进行了综述、总结和展望.

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。

基于探针诊断的HEMPT推力等效测量方法

无拖曳卫星任务对会切场推力器(HEMPT)性能有更为精细的技术指标要求,针对目前的三丝扭摆测量系统由于技术限制不能快速精确地反应这些指标,从等离子体原理出发,推导了一种通过探针所测的数据计算推力的等效方法,并经过实验测量进行了验证。测量结果表明:该方法可以在一定范围内较为精确地计算推力,并且为微牛级推力测量以及推力分辨率测量提供了一种行之有效的参考方法。

基于正交试验法的FEEP聚焦电极阵列设计策略

为消除场致发射电推力器(Field emission electric propulsion,FEEP)羽流发散角度过大给推进器寿命和可靠性带来的不利影响,研究了聚焦电极阵列空间位置对羽流聚焦效果的影响,并通过正交试验法给出了最优电极分布。通过数值仿真对FEEP的离子运动过程建模,采用正交试验方法电极阵列进行研究,关注其在不同空间位置下的聚焦效果,得到了离子出射半角分布和推力大小。结果表明,聚焦极的位置决定了羽流的聚焦效果,其次是提取极和加速极;聚焦极径向距离发射极1600μm,且提取极径向和轴向坐标为(800μm,500μm)时能得到最优的聚焦效果。本文验证了正交试验方法在聚焦电极阵列设计上的可行性,同时还为聚焦电极阵列设计提供了有效的分析方法和设计策略。

碘工质电推进技术研究综述

深空探测任务和微小卫星的迅速发展给电推进系统提出了新的要求,碘工质由于其价格较低,便于存储等优点得到了广泛应用。概述了碘工质在电推进技术的应用现状,介绍了碘工质作为电推进剂在发射成本与存储方面的优势,分析了碘工质的物理,化学,放电特性,为碘工质电推进系统设计及性能优化提供指导,在此基础上分析了碘工质储供系统,真空系统和阴极设计方面所面临的问题及解决思路,列举了目前国际上报道的碘工质电推力器的性能参数。进行了碘工质会切场推力器点火实验,实验结果发现碘工质与氙工质在相同实验条件下放电电流类似,而且100min的实验结果显示碘工质对阳极及推力器通道的腐蚀并不明显。