螺旋波等离子体推进研究进展

螺旋波等离子体推力器是一种新概念磁等离子体推进装置,以其电离率高、无电极烧蚀、寿命长、比冲高等优点受到国内外学者的广泛关注,该新型推力器在未来长寿命深空探测器和卫星的动力系统中具有广阔的应用前景。概述了螺旋波等离子体推力器的系统组成和工作原理、重点介绍了该推力器的研究进展、现状和关键技术,总结了国外在研的四种典型的推力器结构类型,并根据实际情况,提出了国内螺旋波技术在电推进领域的研究方向和发展思路。

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。

基于环境工质的超低轨吸气式螺旋波电推进器仿真分析

为考察超低轨道高度环境下吸气式螺旋波电推进的可行性,基于180 km超低轨道高度环境工质,开展吸气式螺旋波电推进器的仿真模拟。进行以原子氧为工质,综合考虑碰撞、激发、电离等过程,通过13.56 MHz射频加热,由磁喷口完成推力输出全流程的仿真模拟。建立特定形态吸气式螺旋波电推进结构模型,结合不同功率的输入,分析功率沉积、等离子体参数分布和推力输出。结果表明,输入功率从200 W增加至2000 W的过程中,推力从6.00 mN增加至13.23 mN,能够满足0.226 mN的阻力补偿要求,可为超低轨吸气式电推进航天器设计提供参考。

螺旋波等离子体推进器磁场仿真

推进工质电离、加速、喷出过程以及电羽流的污染控制等都与磁场密切相关。磁场位形的仿真设计对于提高螺旋波等离子体推进器的性能至关重要。基于等效磁荷方法建立了专门针对螺旋波等离子体推进器的三维磁场仿真模型,计算出圆柱形与圆环形铷铁硼(Nd-Fe-B)永磁体组合产生的磁场位形及磁场强度分布特征。该模型为改进电推进器实验方案提供必要的参考和指导;通过大量仿真计算与分析,从大量的磁铁构型方案中优选出合适的磁铁构型,可以缩短螺旋波等离子体推进器的实验周期,降低成本,加快电推进器的研发进度。

用于空间站的螺旋波等离子体推进研究进展

针对如何利用空间站中气态物质作为电推力器的推进工质,产生空间站姿轨控所需动力,提高空间站物质利用率以及降低空间站长期运行成本,介绍了螺旋波等离子体推力器的工作原理及性能特点,结合气态物质的主要成分,综述了国内外对于复杂工质螺旋波等离子体推力器的最新研究进展,讨论了复杂工质螺旋波等离子体推力器的关键技术和研究方法,对复杂气体用于螺旋波等离子体推力器的应用进行了展望。

澳大利亚国立大学等离子体推进研究

介绍了澳大利亚国立大学在等离子体推进领域的发展历程、技术特色及其工作原理(螺旋波双层推进器—Helicon double layer thruster、双阶段4层栅格离子发动机—Dual stage 4 grid thruster、口袋火箭—Pocket rocket),主要装置及其特征参数(WOMBAT—Waves on magnetized beams and turbulence、WOMBAT XL、Chi Kung、Piglet)、诊断设备及其典型结果 (射频补偿朗缪尔探针、发射探针、B-dot磁探针、迟滞场能量分析仪、高灵敏度动量测量摆)以及研究成果、人才队伍、项目来源和国际合作等情况,并结合在等离子体推进领域的研究现状以及研究中遇到的科学技术问题,给出了针对性的建议和思考。

螺旋波等离子体推力器放电过程的流体模拟

针对建立三维数值模型对螺旋波等离子体推力器放电进行数值模拟计算量过大的问题,使用COMSOL多物理场软件建立了二维轴对称结构,采用漂移-扩散流体模拟方法,分别改变工质气体种类、气体压强及射频功率,模拟了螺旋波等离子体放电过程,分析了不同参数条件下放电室中电子数密度、电子温度、碰撞功率损耗分布情况,结果显示,在一定条件下气体压强越大,电子数密度越高,电子温度越低,碰撞功率损耗越大,在1600～2400 W范围内,随着射频功率增大,电子数密度和碰撞功率损耗增加,电子温度变化较小,电子数密度在10^(18 ) m^(-3)左右,为螺旋波等离子体推力器的设计与实验研究提供了参考。

基于发射光谱法的螺旋波电推进器等离子体源放电实验研究

为探究不同气体条件下螺旋波电推进器等离子体源的放电特征,开展了氩气、氦气和氮气放电的光谱诊断实验研究。氩气和氦气为工质气体的放电条件下,部分波长谱线相对强度随功率的增加而增强,且斜率出现两次跳变,考虑是螺旋波放电过程中的模式转换,即容性向感性、感性向波模式的转换。三种工质气体,在较低的压强下,各谱线强度均随压强增大而迅速增强,但氩气放电下压强继续增大达到1.0Pa以后,谱线强度增强趋势变缓甚至达到“饱和”状态,而氦气和氮气放电下压强增大到0.5~0.65Pa,谱线强度出现降低趋势,氦气和氮气放电强度对压强更为敏感。

基于离子回旋共振有质动力加速的螺旋波推力器原理

基于离子回旋共振有质动力加速(ICR/PA)的螺旋波等离子体推力器为一种先进概念的无电极推力器,具有无电极烧蚀、比冲高、寿命长的优点,在未来的深空探测和卫星的动力系统中具有广泛的应用。分析了该推力器的结构组成、工作原理、发展现状,并利用准线性理论推导了基于ICR/PA加速方式的离子获得能量的过程,给出了推力计算公式。理论分析结果为后续推力器的设计提供指导。

螺旋波无电极等离子体推力器的李萨如加速机制

螺旋波无电极先进推力器(HEAT)是一种新概念的等离子体推力器,具有比冲高、寿命长、无电极烧蚀、可靠性高的优点,适用于未来的深空探测等长时间飞行任务。首先介绍了推力器的结构和工作原理,重点介绍了李萨如加速机制的原理;分析了HEAT的电子运动轨迹。并用等离子体的漂移扩散模型推导出了具体的推力计算公式,在粒子的回旋半径和推力器的比值为特定的值的时候,推力有一个最大值。理论分析结果为后续的推力器的设计提供指导。

螺旋波等离子体推力器地面实验原理样机设计

螺旋波等离子体推力器(HPT)是一种新型的电磁式推力器,其基于螺旋波等离子体在发散磁场中存在的无电流双层效应,加速离子形成高速离子束喷流,从而产生推力.HPT的关键部件包括特定结构的射频天线和一定位型的磁场.本文首先总结了HPT的工作特性,之后具体给出了HPT地面实验原理样机的设计方案,可为进一步的实验研究和推力器优化设计提供理论依据和参考.