钐钴永磁材料在30 cm氙离子推力器中的应用

磁场设计是氙离子推力器放电室可靠性设计的关键技术之一,直接影响放电室的放电稳定性及推力器在轨工作寿命。针对30cm氙离子推力器对磁路结构的特殊要求,从电磁性能、机械性能等方面分析了钐钴材料应用于30cm氙离子推力器的可行性。基于此,构建了30cm氙离子推力器磁路分析模型,运用有限元方法,获得了设计磁路构型下产生要求磁场强度的永磁体结构尺寸。结合30cm氙离子推力器在轨工作模式及空间环境特点,研究了永磁体的空间环境适应性并开展了整机性能验证。研究结果表明,采取保护措施后,钐钴永磁材料磁性能稳定性与可靠性满足30cm氙离子推力器在轨应用需求。

10cm氙离子推力器变推力特性研究

非重力阻尼的连续、快速、高精度补偿是实现重力梯度测量卫星精细重力场的关键技术之一,直接影响到整星工程任务的成败。针对重力梯度测量卫星在轨飞行期间对电推进系统宽范围连续变推力能力的应用需求,分析了10cm氙离子推力器推力调节响应特性。在此基础上,通过对阳极电流、励磁电流和阳极流率等推力高敏感响应参量的组合调节,开展了推力调节试验研究,验证了10cm氙离子推力器宽范围连续变推力调节能力,获得了1~20mN内的推力调节性能及其变化规律。试验结果表明:在采用地面供电、供气设备条件下,10cm氙离子推力器能够在100~597W内实现0.98~20.29mN的推力宽范围调节,比冲175s^3500s,推力分辨率优于50μN。研究为建立10cm氙离子电推进系统的推力控制数学模型及调节控制算法奠定基础。

20cm氙离子推力器磁场优化与试验研究

放电室磁场的优化设计是离子推力器结构改进设计的关键技术之一,直接影响到推进剂电离效率和整机工作稳定性。针对深空探测等空间轨道任务对20 cm氙离子推力器应用需求,利用电磁体磁感应强度实时可调的优势,获得了给定工作模式下20 cm氙离子推力器放电室磁场最优构型及其磁感应强度的最佳分布。在此基础上,运用等效磁通理论,明确了产生相同磁场构型及其磁感应强度分布的永磁体结构尺寸。将20 cm氙离子推力器放电室磁场优化前后的性能进行对比,结果表明:在不改变整机结构的情况下,放电室磁场优化后推力可提升50%,由40 m N提高到60 m N,比冲提高到3 500 s,效率提高到65%。通过磁场优化,使得20 cm氙离子推力器具备了在40 m N和60 m N双模式工作的能力。研究为高效、稳定工作的离子推力器磁场优化提供方法。

适用于30cm离子推力器的5kW电源处理单元设计

为了满足更大范围的卫星应用需求,我国正在研制30cm离子推力器。30cm离子推力器瞄准全电推进卫星平台、近深空探测器对推进任务的需求,对提高卫星平台先进性和提升国际竞争力具有重要的意义。为了配合30cm离子推力器的研制,同时设计了输出功率达到5kW的电源处理单元。该设计实现了一种输出功率为1kW的模块,通过串联组合可以达到输出5kW功率要求,提出了一种"最佳"的平顶变换及软开关的全桥电路拓扑,达到了95%的转换效率,同时还能容易实现屏栅电源的N+1冗余设计。并且通过高压组件的完全灌封,有效提高产品的可靠性。

基于CFD的10cm氙离子推力器阳极推进剂供给方式优化

离子推力器阳极推进剂在放电室内的浓度分布及其变化梯度的设计是放电室放电模式可靠性设计的关键技术之一,直接影响到放电室内推进剂的电离效率及放电稳定性。针对航天器在轨多目标飞行任务对10 cm氙离子推力器的应用需求,为提高10 cm氙离子推力器放电室空腔内阳极推进剂供给的均匀性,实现推进剂利用率的有效提升,运用计算流体动力学(CFD)理论,建立了包括阳极推进剂、进气管和分配环在内的CFD阳极环模型,研究了未发生气体放电情况下,不同供给方式时阳极环内阳极推进剂的压强与流速变化情况。在此基础上,分析了阳极推进剂供给方式对10 cm氙离子推力器放电室空腔内阳极推进剂分布特性的影响作用关系。将优化前后的阳极环在10 cm氙离子推力器中进行了性能对比,结果表明:优化后阳极推进剂电离损耗由277.9 W/A降至241.2 W/A,放电室阳极推进剂利用率由91.7%提升至98.4%,验证了CFD计算结果的正确性与方法的可行性。研究结果为离子推力器放电室拓扑结构设计与优化提供了方法。

30cm口径离子推力器热特性模拟分析

为了对30 cm口径LIPS-300推力器的热设计提出合理建议,利用有限元分析软件对LIPS-300离子推力器进行地面稳态及热应力分析。结果显示处于大流量点火工作状态时,离子推力器的高温部件主要是阳极筒锥段、屏栅筒以及后极靴,当推力器达到稳态后,阳极筒和后外壳锥段的热形变占主要地位。根据仿真分析得出的热设计优化结论是提高LIPS-300离子推力器内外部件的表面发射率是可以降低内部部件温度,并满足磁钢工作温度上限的有效方法。

30cm口径离子推力器磁场设计

为了对30cm口径离子推力器的磁场设计提出合理建议,研究了四极磁场结构下,不同尺寸的磁极宽度和磁极间距对磁极表面磁场强度和放电室电子约束长度的影响,并利用Maxwell-3D磁场分析软件得到柱段和锥段永磁体分别呈30°,60°和90°夹角时的放电室磁场强度分布,根据不同磁场强度计算了电子温度、离子密度以及电离率等推力器放电参数。结果表明,当推力器放电电压为30V时,磁极长度设计为0.008m且磁极间距取为0.12m,电子约束路径大约为50m;柱段和锥段永磁体分别呈30°,60°和90°夹角时,放电室磁场等势线基本在0.002~0.005T之间;永磁体夹角为60°时磁场分布和磁空区相比30°和90°夹角更为合理,此时的电子温度约在2~6eV,等离子体密度约在4×1017~8×1017 m-3,电子碰撞频率比率约在0.2~1.8范围内。