微波等离子推进器的原理与应用研究

简要介绍空间动力装置的分类及其特点，重点分析和讨论新型空间动力装置———微波等离子推进器（ＭＰＴ）的基本原理、结构特征和应用前景。分析现有理论与实验研究结果后认为，ＭＰＴ是一种高比冲、长寿命的小推力动力装置，特别适合用作空间动力，进行航天器的轨道转移、姿态控制、位置保持、对接交会和星际航行。尽管目前ＭＰＴ仍处于理论探索与实验研究阶段，但研究结果表明，它是前景十分诱人的新型空间动力系统。

国外微波等离子推进器研究的新进展

回顾了国外微波等离子推进器（ＭＰＴ）的发展历史，简单介绍其基本工作原理与主要部件的设计、选材，论述理论与实验研究的新进展，给出推力、比冲与实验参数的范围。通过与电弧及电阻加热推进器的比较，得出结论：微波等离子推进器具有寿命长、效率和比冲高的优点，可用于地球同步通讯卫星的南北位置保持等。

磁等离子体推进器阳极半径对阳极功率沉降的影响

随着人类航天事业的发展,需要研发适用于不同空间任务的推进系统,与磁约束核聚变原理类似的磁等离子体动力推进器(MegnetoPlasmaDynamic Thruster,MPDT)在推力功率比和比冲方面具有优越性能。阳极功率沉降是MPDT运行过程中等离子体与壁面相互作用的结果,占总功率的40%~90%,严重降低推进器效率。针对该问题,本文从阳极功率沉降的角度探究了阳极半径对推进器效率的影响。基于磁流体力学方程(MagnetoHydroDynamic,MHD),利用数值计算方法建立径向放电参数数值模型和阳极功率沉降物理模型,研究计算了阳极半径对放电参数和阳极功率沉降的影响规律,并建立热仿真模型对阳极水冷散热结构进行了热仿真。研究结果表明:增大阳极半径,电子密度及离子速度得到提高,阳极功率沉降增大,但阳极功率沉降分数降低,推进器效率得到提升。热仿真结果显示,水冷结构阳极在输入阳极功率沉降约为3 kW时,对应的阳极冷却水温差为5 K。本研究验证了阳极功率沉降物理模型的可靠性,并指出增大阳极半径是提升推进器效率的有效手段。

二次电子发射对稳态等离子体推进器加速通道鞘层的影响

稳态等离子体推进器(Stationary Plasma Thruster,SPT)工作时产生的高密度等离子体遇到其加速通道陶瓷器壁时,在陶瓷器壁与等离子体之间形成鞘层。离子会在鞘层电场作用下到达SPT加速通道器壁表面进而复合,而等离子体中的电子由于具有高能可跃过鞘层电场轰击器壁表面,从而产生二次电子发射效应。从器壁表面发射出的二次电子由于受到鞘层电场的排斥,导致其向等离子体源区移动,进而影响等离子体鞘层的特性。建立了考虑二次电子发射效应的无碰撞等离子体鞘层的一维流体模型,研究了二次电子发射对SPT加速通道鞘层特性的影响。计算结果显示,随二次电子发射系数增加,鞘层电势、离子密度、电子密度和二次电子密度增加,而离子速度降低,鞘层中离子密度始终大于电子密度。鞘层中二次电子绝大多数集中在器壁附近,随二次电子穿越鞘层厚度的增加,二次电子密度快速下降。

稳态等离子体推进器羽流场数值模拟

采用二维轴对称模型,使用粒子网格法(PIC)和直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)相结合的方法,对稳态等离子体推进器(SPT)羽流场进行了数值模拟.采用DSMC方法中的随机取样频率法(RSF)求解粒子碰撞过程,并对比了不同的分配电荷方式、电子运动模型及SPT出口条件时的羽流场.将不同条件计算得到的羽流场中距SPT出口0.1m,0.5m及1.0m处的离子电流密度和电荷密度与实验结果进行了对比,得出在采用面积权重法分配电荷、等熵模型描述电子运动和用实验值设定发动机出口参数时对SPT羽流场数值模拟的电流密度和轴向附近的电荷密度结果与实验结果符合程度较好的结论.

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。

水工质脉冲等离子体推进器的能量平衡和效率

通过一种同轴水工质脉冲等离子体推进器的LCR放电回路的理论分析和实验来探讨其在运行过程中的能量平衡和能量转换效率。理论分析认为储能电容中的储存能量通过放电转化为加速动能及被传输线和电容的等效电阻消耗掉,并且根据等效电阻的分配情况定义了水工质脉冲等离子体推进器的加速动能和电磁力转换效率。实验研究表明:该水工质脉冲等离子体推进器的存储能量(E0=4.86J)转换成加速动能的能量转换效率是28%,其中11%用于电磁加速及17%用于电热加速,其余72%的存储能量消耗在储能电容和传输线内阻所造成的能量损失上。

低功率水工质脉冲等离子体推进器的工作特性

为了解决Teflon脉冲等离子体推进器存在的性能低、有污染等问题,设计了以水为工质的脉冲等离子体推进器系统,并研究了它的主要工作指标的能量阈值。分析了水工质脉冲等离子体推进器系统的放电类型形成条件及原因,通过放电电压和电流测试实验,对工作能量阈值进行了实验研究,得到了稳定运行能量对应的储能电容值。实验结果表明:在足够高的电场强度和足够大的触发电流下,才能产生保证稳定工作触发概率的初始等离子体;而水工质脉冲等离子体推进器的正常工作能量范围由储能决定,与储能电容的容值不相关。研究结果为发展无污染、性能高、具有广适性的低功率水工质脉冲等离子体推进器打下了一定的基础。

负离子对稳态等离子体推进器鞘层的影响

针对为了提高稳态等离子体推进器的推进功率,而从阴极注入少量负离子,采用流体力学方法,建立了包括负离子的一维等离子体无碰撞鞘层模型,讨论了SPT通道内一维稳态等离子体鞘层中负离子的影响.结果表明:随着注入负离子量的增多,导致鞘层空间电子、离子、以及二次电子密度都降低,抑制了器壁二次电子的发射,并且降低了SPT通道的放电性能;而沉积到器壁的正离子动能流随其增加而减少,降低了对陶瓷器壁的腐蚀,可以提高SPT的使用寿命.

脉冲金属离子等离子体推进器的等离子体生成和传播特性

综述了不同阳极结构脉冲金属离子等离子体推进器的放电特性、等离子体生成及传播特性。首先,讨论了一种带有绝缘套筒的裸阳极推进器结构。对比分析了无、有绝缘套筒的裸阳极推进器的等离子体生成及传播特性的区别。结果表明,绝缘套筒阻碍了阴极近旁带电粒子的径向运动,提高了沿绝缘套筒轴向喷射出去的等离子体的喷射性能。此外,发现采用裸阳极推进器结构放电过程中会有大量带电粒子进入阳极。其次,讨论了一种绝缘阳极推进器结构。结果表明,采用绝缘阳极结构进一步提高了沿绝缘套筒轴向喷射出去的等离子体密度。但是,与裸阳极推进器结构相比,等离子体的生成量减少。再次,讨论了一种微孔绝缘阳极推进器结构。结果表明,与裸阳极推进器结构相比,采用微孔绝缘阳极推进器结构生成的等离子体的密度峰值和传播速度峰值分别提高了12.6倍、3.9倍。最后,分别讨论了一种螺旋阳极推进器结构和一种多阳极推进器结构。结果表明,这两种推进器结构分别利用放电过程中形成的自磁场及电场有效提高了等离子体羽流的定向喷射性能。本研究可以为金属等离子体喷射性能的提高以及脉冲金属离子等离子体推进器的设计提供支持。

高温超导磁约束等离子体推进器杜瓦系统的应力和应变分析

高温超导磁约束等离子体推进器利用磁场的作用,将高温等离子体的能量转化为推进器的推力,对于杜瓦系统的结构有着较高的要求。文中主要介绍了杜瓦系统的基本结构,并利用ANSYS软件分析了杜瓦系统的应力和应变,说明了高温超导磁约束等离子体推进器杜瓦系统的设计满足应力及应变要求。

磁约束等离子体推进器磁体系统的电磁力和机械应力分析

根据磁约束等离子体推进器磁体系统的设计参数,通过ANSYS有限元分析软件在电磁-结构耦合场方面的计算,得到磁体系统的轴向电磁力和机械应力的分布。计算超导磁体在通电情况下,磁体中平面上所有节点所受的轴向电磁压缩力以及磁体间的相互作用力;计算出磁体外层用不锈钢钢丝加固前后机械应力分布情况的变化。

基于μ-PPT电推进器的立方体卫星群落姿态协同控制

为实现由多个立方体卫星组成的微小卫星群落状态协同任务需求,提出一种基于自适应控制的立方体卫星群落姿态同步控制策略。考虑群落信息交互的无向性和有向性两种情况,通过引入反映邻接立方体卫星互联关系的同步信号,构建微小卫星群落姿态动力学模型。基于邻接状态差异对每个立方体卫星进行自适应控制设计,改善整体微小卫星群落的姿态同步性。考虑标准模块化多单元立方体卫星结构以及配置的微脉冲等离子推进器(μ-PPT)的特殊性,提出基于离散脉冲控制的立方体卫星三轴姿态调节。并且,群落中每个立方体卫星通过搜寻最优脉冲序列组合进行μ-PPT脉冲调节,能够使每个立方体卫星最终趋于姿态同步状态的同时,实现对外部干扰力矩的连续补偿。最后,通过对立方体卫星互联群落状态同步的任务需求进行具体案例的仿真分析,结果表明在多种信息交互模式下,提出的连续自适应控制律以及离散μ-PPT电推进系统,能有效实现立方体卫星整体群落的姿态同步任务需求。

通道等离子体环境对稳态等离子体推进器壁面腐蚀的影响

稳态等离子体推进器工作过程中通道的等离子体环境参数会影响高能粒子束的分布,进而影响离子对壁面溅射的情况。本文就加入预电离腔及考虑电荷交换碰撞对壁面腐蚀的影响进行了研究。通过调整模型中预电离率参数,研究了预电离率大小对通道物理特性分布及对通道壁面常规腐蚀的影响。结果表明预电离不会影响通道内主要物理特性,但由预电离引入的额外等离子体会加剧壁面的常规腐蚀。通过加入蒙特卡洛碰撞模块得到了电荷交换碰撞对通道各项物理参数分布和壁面常规腐蚀的影响。结果表明当考虑电荷交换碰撞后,通道内高能离子密度减少,壁面常规腐蚀情况有所减缓。

发扬创新精神 发展离子推进

发扬创新精神发展离子推进朱毅麟（中国空间技术研究院）１电推进登上应用舞台□□电推进具有比冲高、推力小、重量轻、体积小、消耗工质少和需要一定量电功率等特点。本世纪六七十年代，电热、静电和电磁三类电推进器都陆续研制成功，并进行过多次空间飞行试验和试用。但...

圆柱形霍尔推进器的三维刻蚀模拟与实验研究

通过使用数值模拟和实验相结合的方法研究圆柱形霍尔等离子体推进器。应用蒙特卡洛方法和Particle In Cell(PIC)方法对放电通道内等离子体碰撞和行为进行模拟。建立圆柱形霍尔推进器的物理和数值模型;通过对放电和加速区等离子体的产生和输运进行模拟,掌握了等离子体放电和加速机理以及内磁极的刻蚀情况。结果表明:随着电压的升高,内磁极刻蚀较为严重;推进器内部离子能量值约为放电电压值的50%左右。同时通过实验方法测定不同放电电压情况下推进器的放电性能。

MEMS微推进技术的研究

空间推进器是卫星的姿态控制及轨道的修正、保持和机动的重要执行元件 .随着小卫星、微卫星、纳卫星、皮卫星和星座及编队飞行技术的出现 ,对空间推进技术提出了更高的要求 .在综述国内外微推进技术的基础上 ,着重介绍研制的微型数字式MEMS阵列推进器的总体结构设计、推进剂的选择与性能研究。

小型卫星用的微型激光等离子体推进器

以高亮度半导体激光器或玻璃光纤激光器作能源的微型激光等离子体推进器(μLPT)是高效、长寿命、低推力脉冲火箭发动机。它使用简单的低电压半导体开关驱动激光器,截止态电功率为零。首次给出微型激光等离子体推进器实验演示;单推力幅度复盖5个数量级,从40mdyn-S(<1nN-S,1dyn-S=10^(-5)N-S)到2dyn-S。比推力高达1800s,耦合效率达25dyn-S/J。研究了几种靶材料。初始应用是供微卫星和纳卫星的定位和寿命结束时再入。现在开发的原型发动机预期寿命输出约5×10~7dyn-S(500N-S),足够再入5kg低地球轨道(LEO)卫星。

微纳卫星姿态控制系统的半实物仿真

针对脉冲等离子体推进器作为执行机构的微纳卫星姿态控制系统(attitude control system,ACS)仿真的需要,采用脉冲信号控制双旋翼实验平台对微纳卫星姿态控制系统进行半实物仿真。使用Elman神经网络PID的控制策略,在线调整PID参数,适应动态系统。通过半实物仿真平台的对比试验,验证了Elman神经网络PID控制系统自适应能力强、超调量小等优点,同时也验证了双旋翼实验平台对于脉冲等离子推进器半实物仿真的有效性。

面向立方星变轨任务的机动控制策略

为了实现立方星在轨飞行与变轨,基于模块化推进器系统提出混合控制策略实现微小卫星轨道持续变化任务需求。首先,针对多单元立方星单一主推进器的结构部署,基于高斯变分方程采用连续低推进力实现轨道机动变化。为了实现对立方星主推进器的指向调整,基于姿态动力学模型利用PD连续姿态控制求得所需扭矩,实现对立方星的指向角和指向角速度调节。针对配置的微脉冲等离子推进器(μ-PPT)不连续的特点,通过搜寻μ-PPT最优脉冲序列组合获得实际扭矩,满足对外部干扰的持续补偿以及立方星的姿态稳定和指向调整操作需求。此外,引入姿态误差敏感度阈值,使姿态控制器在能够提高系统鲁棒性的同时减少μ-PPT消耗。最后,通过对3U立方星在轨飞行与变轨的具体案例分析,表明所提出的基于微推进器系统的混合控制策略能够实现立方星轨道机动变化需求。