磁感应强度对10 cm连续变推力离子推力器性能的影响

连续变推力离子推力器是重力梯度测量卫星在轨实现非重力阻尼连续、快速、高精度补偿的关键,其性能状态直接决定了卫星任务的成败。针对重力梯度测量卫星无拖曳飞行任务对10 cm连续变推力离子推力器的应用需求,分析了磁场对离子推力器实现宽范围、连续变推力的影响效应。在此基础上,研究了不同阳极供气流量下放电室内磁感应强度调节时整机输出推力的变化规律,获得了磁感应强度对推力器放电电压、工质利用率及放电损耗的影响作用关系。采用法拉第探针得到了磁感应强度与离子束流平直度间的映射关系。结果表明:10 cm连续变推力离子推力器输出推力随着磁感应强度的增加而不断增大,放电电压与磁感应强度之间呈现为非线性的二次多项式关系;随着磁感应强度在一定范围内的增大,工质利用率不断增加,放电损耗逐渐下降,离子束流平直度相应增大,但磁感应强度过大会导致放电室性能出现非预期性变化,等离子体出现失稳现象。研究为构建10 cm连续变推力离子电推进系统的推力控制算法及推力器整机磁路优化提供技术支持。

连续变推力离子推力器双荷离子特性分析与诊断

离子推力器束流离子中的双荷离子在制约栅极组件工作寿命的同时也影响到推力器实际推力的大小,其在总束流中的占比直接决定了推力器寿命、推力等关键性能指标的符合性。为准确、快速研判10 cm氙离子推力器在宽范围推力调节过程中的双荷离子占比,利用放电室经验模型,分析了推力器变推力调节过程中双荷离子的变化特性及其影响因素,结合实际工作参数计算得到了不同推力工况点下双荷离子的理论占比。在此基础上,采用E×B探针诊断系统测试获得了相应推力工况点下双荷离子的实验占比,并将理论计算结果与实验测试结果进行了对比。研究结果表明:离子推力器放电室内双荷离子的占比是关于推力器工质利用率等性能参数及原初电子与麦氏电子间的密度比、电子温度等相关等离子体参数的函数;在变推力调节过程中,随着放电室内阳极功率的增加,束流中的双荷离子比例不断上升,且其引出束流中双荷离子比例分布呈现出强烈的非线性分布,整体表现为伴随增长的趋势。研究为离子推力器在轨控制策略的优化设计及性能评估提供了技术支持。

10 cm考夫曼型离子推力器放电室关键参数优化

放电室构型设计是离子推力器结构设计的基础与核心,直接影响到放电室工作能效及整机工作寿命。针对新型航天器在轨飞行任务对大推力、长寿命连续变推力离子推力器的应用需求,探究了影响10 cm离子推力器整机效能的放电室关键参数因子,揭示了发散场放电室的磁场发散度、电子通道面积及阴极位置等敏感参数对放电室性能的影响作用关系。开展了10 cm离子推力器放电室参数构型的优化与验证。结果表明:在不改变整机结构的情况下,通过优化放电室关键参数,10 cm离子推力器最大输出推力由20 mN提升至25 mN,提升近25%,推力调节范围由1~20 mN扩展至1~25 mN,全范围内推力分辨率均优于50μN,且推力器在20 mN最佳工作点的阳极电压由43.5 V降至38.4 V,放电损耗由345 W/A降至308 W/A,预估整机寿命将由15000 h提升至17500 h。研究为推动10 cm离子推力器的在轨扩展应用提供了一定的技术支撑。

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。

面向空间无拖曳飞行任务的连续变推力离子推力器研制

推力的宽范围、高精度、连续可调和快速响应是实现航天器无拖曳飞行任务的技术基础,直接决定了整星工程任务的成败。针对重力梯度测量卫星及近地轨道观测卫星在轨任务期间对电推进系统高精度连续变推力能力的迫切需求,分析了离子推力器连续变推力的工作原理,研究了推力器输出推力宽范围、高精度、快速连续调节的关键要素。在此基础上,通过推力调节试验、空间环境适应性及寿命特性研究,揭示了10 cm口径连续变推力离子推力器的工程特性,获得了1~25 mN内的推力调节规律,实现了分辨率为50μN的推力调节响应。研究将为重力梯度测量卫星及近地轨道观测卫星开展无拖曳空间飞行奠定基础。

20cm离子推力器飞行试验工作性能评价

20cm离子推力器在SJ-9A新技术试验卫星上的飞行试验已经结束,为了检验飞行试验的有效性,十分有必要对离子推力器在轨工作性能进行全面分析评价,以便为后续空间应用提供依据。利用在轨获得的试验数据对离子推力器主要工作参数进行了分析,并通过与地面试验数据进行对比,系统性的评价了其工作性能。评价结果表明,在整个飞行试验期间离子推力器各项工作性能参数符合设计指标要求,其中推力在38～39.2m N,比冲在2900～3200s,功耗小于设计值1080W。飞行数据与地面试验数据吻合很好。

20cm口径离子推力器性能建模与仿真

为了分析国内首台通过在轨飞行测试的20cm离子推力器栅极系统束流离子运行特性和推力器性能，针对该推力器栅极系统建立了束流引出二维数值仿真计算模型，利用PIC／MCC数值仿真计算方法，模拟束流引出过程中带电粒子在电场作用下的加速、聚焦与引出、带电粒子与中性原子之间的相互作用、电场和等离子体流场之间的相互耦合等过程。数值计算结果显示，屏栅截获的离子电流约为1．71×10-4，加速栅截获的电流和CEX离子电流分别为0A和9．11×10^-7A，因此，加速栅电流的主要来源是冲击到其表面的CEX离子，证明了加速栅电流的主要来源是冲击到其表面的CEX离子，计算的加速栅截获电流与柬流电流之比约为0．114％。试验测得推力器运行4000h期间，电子反流极限电压始终为75～90V，其变化幅度很小，这意味着中和器发射的电子在栅极系统中的反流不会导致其发生失效。理论计算结果与试验测试值相比，误差约为1．08％。

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。

10cm离子推力器挡板通道设计模型研究

发散场离子推力器挡板通道结构对放电室性能至关重要,通道尺寸严重影响进入放电室的原初电子能量和速度分布,进而影响放电室性能。根据挡板通道区域等离子体物理过程,建立了与离子推力器工作宏观物理量相关的挡板通道设计模型。利用模型计算了10 cm离子推力器挡板通道几何参数,在计算的理论值附近设计了三种不同特征尺寸的挡板结构,并通过试验开展了特征尺寸的优化。最终优化的挡板通道结构应用于10 cm离子推力器原理样机,该原理样机的性能摸底试验表明其放电室性能满足设计指标要求,从而验证了10 cm离子推力器挡板通道设计模型的合理性。

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。

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。

离子推力器变孔径栅极方案数值研究

为了改善发散场离子推力器束流均匀性,提出与放电室等离子体密度和电子温度分布相匹配的变孔径栅极设计方案。采用粒子云网格法(PIC)和蒙特卡洛碰撞(MCC)结合的数值计算方法(PIC/MCC)对变孔径设计方案进行仿真,并与现有设计仿真结果进行对比,分析两种设计不同分区电势、离子密度和束流平直度等参数特性。计算结果表明,相对于现有设计,变孔径设计栅极中心区域轴向电场强度变小,鞍点电势绝对值降低1.8V,离子聚焦点内移,离子密度降低,束径变小;边缘区域电场强度增大,聚焦点外移,离子密度提高,束径增大。引出束流发散角变小,平直度由原来的0.41提升至0.57,离子推力器可靠性得到有效提高。

离子推力器束流均匀性改善方法研究

束流均匀性是离子推力器的一个重要指标,其代表离子推力器栅极整个引出平面上引出束流密度的均匀程度,一般用束流平直度来表示。从产生均匀束流的必要条件出发,讨论了离子束流均匀性影响因素,并对其影响机理进行了分析。根据讨论结果对典型离子推力器的束流均匀性进行了对比分析。最后总结给出了离子推力器束流均匀化设计应遵循的一般原则。

多模式离子推力器放电室和栅极设计及其性能实验研究

针对小天体探测任务对离子推力器设计要求,完成总体方案设计,开展了四极环形磁钢会切场放电室和凸面三栅变孔径栅极设计,采用试验研究和理论分析的方法研究了放电室、栅极设计的合理性及匹配性,试验结果表明:多模式离子推力器实现了宽范围稳定放电和引出,在277—3120 W功率下,推力从9.9 mN线性增加到117.2 mN,比冲从1269s台阶上升到3492 s,束流发散角从30.7°下降到26.8°并趋于稳定,各工作点矢量偏角小于1.5°,束流平直度大于0.75,栅极稳定化处理是控制栅间距一致性的重要方法,采用应力释放钼安装环热设计后栅极间距极差得到有效控制,最大下降百分比为90%,本研究为离子推力器多模式化设计及在轨应用工程研制提供参考.

氩工质连续激光加热推力器的数值仿真

对氩气工质的连续激光推力器内加热与流动过程进行数值模拟,建立了包含激光吸收、化学反应、高温效应、黏性、扩散、热传导以及辐射效应等物理机制的模型.推力室内二维轴对称流场采用可压缩Navier-Stokes方程描述,用SIMPLEC(semi-implicit method for pressure-linked equations consistent)算法求解.对解算出的流场压力和黏性应力积分获得推力,其值与类似构型推力器的实验结果吻合较好.在不同流量条件下对推力器的流场进行了计算,通过分析其特征,提出了改进推力器性能的思路.