涡轮电推进系统建模及控制规律设计

为了研究涡轮电推进系统的工作特性及控制规律设计方法,建立了涡轮电推进系统总体性能仿真模型。基于部件法建立了涵道风扇性能计算模型;基于电机效率图建立了发电机及电动机性能计算模型;基于面向对象的建模方法建立了电推进模块计算模型。将建立的电推进模块计算模型加入涡扇发动机部件级仿真模型中,构建了涡轮电推进系统的共同工作方程组,即其性能仿真模型。采用逆算法研究了不同几何参数控制规律下,涵道风扇推力调节时推进系统的工作特性。通过在性能仿真模型中添加推力平衡方程,并结合差分进化算法构建涡轮电推进系统优化模型,形成了涡轮电推进系统控制规律优化设计方法,应用此方法计算了推进系统节流过程控制规律和性能参数。计算结果表明:本模型设计点性能计算结果与国外发动机性能计算软件计算结果最大偏差仅为0.22%,验证了建模方法的有效性;当涵道风扇推力改变时,可能导致涡扇发动机出现超温、超转和喘振等问题,通过联合调节尾喷管喉部面积和涵道引射器面积,可以有效改善这些问题;设计出的节流过程控制规律可以保证不超温、不超转,具有足够的喘振裕度,且在节流过程中还能进一步降低耗油率;该控制规律还具有连续、单调的特点,利于工程实现。

小微纳卫星微小型电推进系统应用展望

随着微机电系统技术与超大规模集成电路等技术的迅速发展,小微纳卫星因较低的成本、可完成一定复杂度的任务成为了当前各国商业航天发展的重要方向,小微纳卫星的在轨机动能力需求牵引了系列化微小型电推进系统的研制与在轨搭载验证。本文首先对小微纳卫星任务对电推进系统的需求进行了论证,随后简述了微小型电推进系统的特点,介绍了国内外微小型电推进系统研制与在轨验证情况,最后对国内微小型电推进系统的研制与在轨应用进行了展望。

基于螺旋桨负载的电推进系统线性/非线性自抗扰混合控制方法研究

电推进系统采用永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)直接驱动螺旋桨为飞机提供所需的动力,由于运行工况的复杂性和强耦合性,其对动态响应和扰动抑制能力提出更高的要求。为了提高系统性能,提出一种线性/非线性自抗扰混合控制方法。在线性扩张状态观测器(linear expanding state observer,LESO)和非线性扩张状态观测器(nonlinear expanding state observer,NESO)参数整定的基础上,设计带权重系数的混合控制策略。该方法有效整合LESO和NESO的优点,通过带桨测试结果验证所提方法的可行性,为工程实践奠定理论基础。

涵道风扇电推进系统关键应用技术探讨

涵道风扇可作为分布式电推进航空器的动力装置,具有良好的发展潜力,现阶段在涵道风扇电推进系统设计和集成应用方面面临一些技术问题。对涵道风扇电推进系统的发展现状及应用前景进行综述,以分布式电推进航空器为背景分析对涵道风扇电推进系统的技术需求,重点探讨了涵道风扇气动设计、涵道风扇与航空器翼身融合设计、电机和涵道风扇结构一体化设计、强迫风冷散热、电磁兼容设计、复杂结构精密制造等关键技术及解决途径,为涵道风扇电推进系统开发和集成应用提供参考。

SJ-17卫星LHT-100霍尔电推进系统飞行试验工作性能评价

为了验证霍尔电推进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,LHT-100霍尔电推进系统搭载SJ-17新技术验证卫星开展了在轨飞行试验,对霍尔电推进系统在轨飞行试验结果进行了详细评价。结果表明:在整个飞行试验期间LHT-100霍尔电推进系统各项工作性能参数符合设计指标要求,其中推力79.5m N,比冲1531s,系统功率低于1.527k W,单次长时间工作8h,在轨系统开关机次数大于24次,在轨累计点火时间超过3028min,在轨飞行试验数据与地面试验数据具有很好的一致性。

40mN/3000s氙离子电推进系统工作性能在轨测试与分析

为获得电推进系统准确的工作性能,验证其在轨工作稳定性,国内首台空间用氙离子电推进系统于2012年11月~2014年2月在我国新技术试验卫星——实践九号A卫星上开展了首次在轨飞行试验。本文简要介绍了40mN/3 000 s氙离子电推进系统的设计方案和主要性能指标,重点阐述了所开展的系统性能在轨测试内容、测试方法及获得的测试结果,并对测试结果进行了分析,最后给出了在轨测试结论。

高空电推进系统的积分滑模反演速度控制

针对高空电推进系统用永磁同步电机的转速跟踪控制问题,提出一种基于反演的积分滑模控制器。对控制器所采用的数学模型、控制算法、稳定性条件等进行研究。在反演法的基础上,将积分因子引入速度环,对转速误差进行补偿;采用指数趋近律构造电流误差的滑模面方程,以减小反演法对系统参数的敏感性;设计全局Lyapunov函数保证控制器的渐进收敛;基于SIMULINK和dSPACE实验平台完成反演和积分滑模反演控制系统的仿真和实验分析。仿真和实验结果表明,相比于反演控制,当参考转速由300 r/min上升到400 r/min时,积分滑模反演控制系统的转速动态响应时间由0.2 s减小到0.1 s;突加1 N.m负载时,转速超调由8 r/min减小到2 r/min,在系统参数摄动条件下,电机稳态运行时无转速静态误差。

GEO卫星基于电推进系统的倾角与偏心率联合控制方法

针对配置电推力器的GEO卫星位置保持问题,提出一种对倾角与偏心率进行联合控制的方法,建立了求解控制方程的优化模型,并针对优化模型变量多、约束复杂的问题进行降维处理,得到两种简化的求解方法,降低了求解复杂度与计算量,适合星上自主计算。采用联合控制方法,仅靠电推力器就能够同时实现卫星倾角和偏心率的高精度控制,有效降低卫星位置保持总的推进剂消耗。仿真算例表明,与电推力器只控倾角的传统方法相比,在保证偏心率控制精度不变的前提下,采用电推力器倾角与偏心率联合控制方法,15年寿命期内节省推进剂质量39kg。

电动轻型飞机电推进系统选型与参数匹配

电动飞机为实现彻底的绿色航空提供了一条光明的技术途径,作为电动飞机动力和能量的来源,电推进系统的参数匹配对电动飞机环保、节能和高效起到关键作用。首先,本文对电动轻型飞机电推进系统进行了简要概述,并分析了其组成部分的特点。其次,结合目前电动轻型飞机电推进系统的特点,给出了电推进系统选型与参数匹配的设计过程。然后,根据电推进系统各组成部分的特点,提出了一套电推进系统选型与参数匹配的方法,包括螺旋桨的选型与参数匹配、电动机的选型与参数匹配、控制器的选型与参数匹配、电池组的选型与参数匹配,该方法可以为电推进系统的优化设计提供依据。最后,以RX1E电动轻型飞机为例对此方法进行了验证,匹配结果满足设计要求,说明了此方法的可行性。

LHT-100霍尔电推进系统集成测试研究

为了验证LHT-100霍尔电推进系统工作匹配性和工作性能,对霍尔电推进系统进行了集成测试研究,霍尔电推进系统包括霍尔推力器、电源处理单元、滤波单元、贮供单元和控制单元,对真空状态下的系统集成点火测试数据与设计指标的符合性进行了分析,研究表明:LHT-100霍尔电推进系统工作兼容性良好,系统集成拉偏后及系统宽功率范围工作正常稳定,各项性能指标满足要求,系统压力控制精度、阳极热节流器及阴极热节流器温度控制精度分别为±1.7%、±1.6%及±1.5%,系统推力83m N,比冲1600s,功率1536W,总效率48.2%,束流发散半角36.2°。

月球探测器电推进系统的应用研究

介绍了月球探测器推进系统概况,比较了国外两种典型月球探测器电推进系统。在我国首个月球探测器"嫦娥1号"推进系统基础上,参考日本LUNAR-A月球探测器、欧洲SAMART-1月球探测器的推进系统组成,提出一种月球探测器电推进系统方案。对该方案进行了初步的分析计算,结果表明了该方案的可行性以及可实现降低推进剂消耗量、增加有效载荷的优越性。

电推进系统工质氙气充装特性试验研究

文章介绍了卫星电推进系统工质氙气充装特性试验系统及测试方法,开展了氙气充装饱和蒸气压,气相及超临界状态PVT充装特性试验研究,建立了新的氙气饱和蒸气压方程,拟合得到了氙气的临界压力,并与其他研究机构的试验数据进行了比较分析。氙气饱和蒸气压试验结果与NIST方程计算值的相对偏差小于0.2%,发现并验证了NIST方程计算值在近临界区的偏差最高达到6 k Pa。试验数据为建立氙气充装加注预估模型奠定基础,为卫星电推进系统充装加注及在轨应用提供重要的参考。

高空电推进系统用永磁无刷直流电动机温度场分析

永磁无刷直流电动机是高空电推进系统的重要部件之一,其性能指标与温升密切相关,高空环境下散热条件的改变使得温升分析尤为重要。文章以一台表贴式永磁无刷直流电机为研究对象,对电机进行了高空环境下的温度场建模,确定了电机在高空环境下的散热边界条件以及电机内部各种传热系数,利用有限元分析方法对电机进行了温度场仿真。通过高空电推进系统用永磁无刷直流电动机高空适应性研究的实验,对比了陆地环境和高空环境电动机温度场的变化。研究表明文中永磁无刷直流电机温度场模型及电机内部传热系数的计算对高空环境下电机的温升分析和散热设计具有一定的参考价值。

平流层飞艇电推进系统研究

介绍了一种平流层飞艇电推进系统的组成及工作原理,对飞艇电推进系统进行了研究与分析,提出了合理的飞艇电推进系统设计思路及方法。通过对设计的电推进系统的试验测试、仿真,验证了以稀土永磁无刷直流电动机为动力的螺旋桨电驱动技术的可行性,满足了空气螺旋桨提出的要求,为空中验证电推进系统的技术指标提供了有效的研究途径和研究基础。

微电推进系统研制及应用现状

200kg以下的微小卫星的轨道维持、姿态控制、阻尼补偿、编队飞行等任务对微电推进技术及产品提出了明确的应用需求,不同类型的微电推进在不同功率范围内有着各自的优势。本文对中国微小卫星12U立方星LPPT-5脉冲等离子体电推进系统、150kg小卫星LPPT-25脉冲等离子体电推进系统、6U立方星LVAT-1真空弧电推进系统、引力波探测卫星LCT-10胶体电推进系统、低轨小卫星星座LHT-40霍尔电推进系统方案及研制进展进行了论述,最后对正在研制的LRIT-40射频离子电推进系统与LECR-50微波离子电推进系统研制情况及后续应用进行了展望。

航天器电推进系统氙气工质充装特性模型与评估

氙气充装特性计算与评估是航天器电推进系统应用的关键因素之一,通过试验及应用国内外试验数据库,建立了氙气工质全区域修正性的经典热力学状态方程、经验方程及多参数方程,比较分析了三种不同计算模型在单相区、临界区及超临界区与试验数据的偏差,新建立Helmholtz方程计算的压力密度,与试验数据比较,该模型比NIST方程有更高的精度,通过比较分析验证了计算模型的正确性与高精度,完全能满足电推进系统氙气工质充装特性数值模拟与预估的要求。

超大型航天器应用电推进系统方案设计

超大型航天器运行在(393±10)公里的近地轨道上,由于受到大气阻尼的减速作用,需要对超大型航天器实施轨道维持。LHT-100霍尔电推进系统是一种可用于超大型航天器轨道维持的高比冲小推力的电推进装置,采用电推进系统,超大型航天器年推进剂需求量可以降低到400kg以下,并需要对载有航天员的超大型航天器的安全性和可靠性进行评估。本文提出了超大型航天器轨道维持霍尔电推进系统方案设计,对霍尔推力器和贮气单元气瓶组件在轨可置换性进行了分析,最后对其可靠性和安全性进行了设计与分析,为我国超大型航天器采用LHT-100霍尔电推进系统进行轨道维持开展系统产品研制奠定了坚实的基础。

电推进系统在静止轨道卫星平台上应用的关键技术

在未来静止轨道平台上应用电推进系统是我国航天事业发展的必然趋势。将氙离子电推进系统(XIPS)应用于静止轨道卫星平台,除了要解决电推力器本身的问题之外,还要在系统应用方面做大量工作。以该静止轨道卫星对电推进系统的需求为基础,从三个方面对电推进系统在未来静止轨道平台上应用所涉及到的关键技术进行了分类及梳理:一是电推进系统与电推力器之间的关系,包括电推力器与推进剂贮存和供给子系统、电源子系统、控制子系统联合工作所涉及到的关键技术;二是电推进系统与化学推进系统的协调工作,包括两种推进系统的任务分工及相互影响所涉及到的关键技术;三是电推进系统对整星及大系统的影响,包括电推进系统对电源、热控、羽流污染控制、电磁兼容性(EMC)、遥测遥控、自主管理等所涉及到的关键技术。通过对这三个方面的关键技术进行梳理,明确了电推进系统在整星上应用所需要开展的工作。

空间离子电推进系统电源处理单元设计

空间电推进电源处理单元是组成电推进系统的关键设备之一,它是多电源组合、输出功率大、电压高及时序控制的复杂电源变换产品。以离子电推进系统配置的电源处理单元为例,叙述了输出功率为1 kW,屏栅电源输出电压达到1 000 V的各功能电源的电路设计,并给出了实验电路的测试结果。

一种新型多路电源在空间电推进系统的应用

针对空间电推进系统的特殊应用背景,介绍了一种新型级联结构的多路输出电源。总体电路设计以共用DC/AC部分为原则,前级拓扑结构采用全桥结构,采用前级反馈的方式对次级输出电压进行预稳压,通过多绕组输出方式输出多路电源,后级采用Buck拓扑结构和脉冲拓扑再次进行电压电流变换,最终实现多路不同特性的电源输出,通过仿真分析及在1.5 kW级霍尔电推进系统的在轨应用,该方案有效实现了系统的各项功能,各路输出误差均在1%以内,效率可达94%以上。