兰州空间技术物理研究所电推进新进展

兰州空间技术物理研究所是我国电推进技术研究和产品研制的主要单位。2014年兰州空间技术物理研究所在电推进发展中取得了多方面的重要进展,分别从空间飞行试验、型号产品研制、新产品开发、专业技术基础研究等方面进行了总结性的系统介绍。空间飞行试验包括了SJ-9A卫星离子电推进系统和XY-2卫星霍尔电推进系统,型号产品研制包括了DFH-3B平台首发卫星LIPS-200离子电推进系统、DFH-5卫星平台和全电推进卫星平台的LIPS-300离子电推进系统及LEO大型航天器主动电位控制系统,正在研发的新产品包括LIPS-200+,LIPS-100和LIPS-400等离子推力器及LHT-140霍尔推力器,电推进专业技术基础研究工作主要包括栅极组件工作寿命分析及概率性评估、放电室性能分析及优化以及基于等离子体能量沉积的推力器热分析等。

兰州空间技术物理研究所吸气式电推进技术进展

吸气式电推进技术是将超低轨空间的环境气体工质收集、增压、电离以及加速产生推力的技术,是一项具有里程碑意义的航天器动力技术。兰州空间技术物理研究所开展了近10年吸气式电推进技术研究。主要介绍了兰州空间技术物理研究所吸气式电推进技术的最新进展,包括吸气式电推进系统方案和应用分析;基于理论分析和数值计算进行的气体收集增压技术研究和电推力器技术研究等。给出了利用研制的吸气式电推进系统原理样机开展地面试验得到的结果和后续研究计划。结果表明,兰州空间技术物理研究所提出的吸气式电推进系统方案能够满足250 km左右轨道高度上特定构型航天器的阻尼补偿需求。

空间柔性阵列天线薄膜阵面制造技术研究

简要阐述了空间柔性天线的进展,分析了空间柔性天线薄膜阵面制造关键技术。研究了薄膜阵面电磁波传输金属薄膜制备技术、薄膜阵面图形化制造技术、薄膜阵面拼接用材料评价、薄膜阵面的裁切技术等。采用磁控溅射技术,通过溅射功率、走带张力、走带速度的调节,在有机柔性薄膜基材上镀制了不同厚度的金属铜膜,实现了有机柔性薄膜基材的表面金属化;利用飞秒激光刻蚀精度高,不损伤柔性薄膜基材的特点,获得了图形化的金属薄膜阵面单元;对3M92号胶带与改性聚酰亚胺胶接材料的拼接强度与耐高低温性能进行了试验对比,发现改性聚酰亚胺胶接材料的强度与耐高低温性能更好,更适合薄膜阵面的拼接;对比了用纳秒激光和飞秒激光裁切的薄膜微观形貌,结果表明,用飞秒激光裁切的切面光滑,无烧蚀与毛刺,适合于高精度薄膜阵面的制造。研究为空间柔性阵列薄膜天线的制造提供了大量的基础数据。

空间飞行器用薄膜温度/应变传感技术研究

随着功能薄膜制备方法及微细加工技术的日益成熟,基于各类薄膜敏感元件的薄膜传感技术蓬勃发展。薄膜传感器件尺寸小、集成度高、灵敏度高,在深空探测、空间飞行器结构健康监测、载人航天等领域展现出广阔的应用前景。针对空间飞行器的各类传感需求,对低温/高温温度传感、热流传感、高温应变传感、柔性大应变传感、柔性智能蒙皮等应用中薄膜传感材料和器件的关键技术及国内外研究现状进行了综述,并对薄膜传感技术的未来发展进行了展望。

太阳成像仪镜筒舱内压力控制技术研究

文章阐述了太阳成像仪镜筒舱内压力控制技术研究,主要包括限流小孔机械尺寸理论分析、慢速泄压阀设计、镜筒压力控制模拟测试等内容。目前,所研制的慢速泄压阀已顺利交付使用,并随46.5 nm极紫外太阳成像仪在中科院空间新技术试验卫星上进行了搭载,实现了在轨顺利开机,验证了太阳成像仪镜筒舱内压力控制手段的正确性。

大功率离子推力器屏栅电源双全桥拓扑技术研究

针对离子推力器电源处理单元(PPU)的屏栅电源,根据宽输出、高效率和小型化发展趋势,提出了全桥零电压零电流开关(ZVZCS)技术与移相/占空比控制相结合的设计方法。该方法在满足屏栅电源大范围输出电压基础上,实现了ZVZCS,降低了开关损耗,提高了工作效率。在此对该拓扑的工作原理进行分析,最后搭建试验电路验证。结果表明,该拓扑结构可以实现大范围输出电压调节,并保持开关管ZVZCS状态,满足屏栅电源宽范围输出、高效率的工作指标。

空间斯特林热电转换技术在轨试验

为提高空间同位素电源的效率和功率,满足深空探测、载人登月和火星登陆等航天任务对航天器能源的需求,梳理了空间自由活塞斯特林热电转换涉及的关键技术,设计了天宫空间站空间自由活塞斯特林热电转换装置的在轨试验方案,在轨开展了斯特林热电转换试验,验证了空间微重力环境下双活塞自由运动的间隙密封、双活塞相位保持等关键技术,获取了空间环境下双自由活塞精确的运动相位保持及漂移特性、动力学与热力学强耦合特性等关键参数。在轨试验结果表明,试验装置在轨运行性能良好,热电转换效率达到24.72%,为未来空间高效同位素电源等不依赖太阳能的能源技术应用奠定了基础。

基于ZBO技术的空间低温贮箱强化换热数值模拟研究

针对载人航天和深空探测对低温推进剂长期在轨存储技术的研究需求,提出了一种基于主动制冷技术和流体混合技术的ZBO新型空间低温贮箱,建立了微重力下低温存储系统的3D模型,对六种采用不同换热结构低温贮箱的温度场和速度场进行了数值模拟和研究。通过对比分析,发现热管位置和混合泵以及冷头的传输效率是影响低温贮箱性能的主要因素,低温贮箱结构采用单混合泵侧喷和低温热管加环肋时最高温度最低,温差最小,具有较好的冷却效果。模拟结果有助于提高低温存储系统的性能,为空间低温贮箱的优化设计提供参考依据。

空间碎片监测及清除技术研究进展

随着航天技术的发展,空间碎片数量逐年增加,将对航天器在轨安全运行构成极大的危险。从空间碎片的来源特征、国内外研究现状以及空间碎片的监测和清除技术进行了综述和分析,提出了在空间碎片的减缓防护等方面的发展建议,为未来新型空间碎片的监测和清除技术等方面提供参考。

空间电推进地面综合测试评价技术研究

推力/比冲、羽流效应及电磁兼容是空间电推进产品测试评价的主要内容。综述了光学测量法、双钟摆法、扭秤法、三丝扭摆法及电磁补偿法等方法,并提出改进的推力测量方法。对羽流等离子体基本参数、羽流离子电流密度分布、羽流离子能量分布、羽流双电荷离子比例、羽流溅射物沉积污染等羽流评价技术,经方案对比提出了现阶段最适宜的测试方法,分别是朗缪尔探针、法拉第探针、RPA、E×B探针、QCM等方法。电磁兼容性测试领域,根据电推进的工作特点,提出了基于透波副舱的实验方法。为空间电推进地面综合测试评价提供方法和测试手段。

高功率空间电推进技术发展研究

面向未来深空探测、空间货运等空间任务对具有牛级大推力、数千秒比冲、数万小时寿命等性能高功率电推进技术的应用需求,通过调研对比分析的方式,详细论述了国内外高功率电推进技术的发展现状和趋势,并针对具体技术路线给出了展望。从高功率电推进技术发展和工程应用的角度,总结梳理了磁场拓扑结构设计与优化、系统效率提升、地面性能诊断测试与评价、高热防护及抑制、空间高压大电流电源、系统集成设计及智能化控制等共性技术难点,为国内高功率电推进技术的发展进步提供参考和帮助。

空间站尿液处理技术研究及进展

尿液处理再生技术是空间站环境控制和生命保障系统的重要组成部分之一,为了实现空间站水资源的循环利用和最大可能减少空间站水补给量,尿液再生技术的主要功能是将空间站中航天员排泄的尿液进行收集、处理和净化,从尿液中提取水分用于电解水制氧或航天员生活用水,从而实现空间站用水的回收再利用。文章介绍了目前国内外发展较为成熟的尿液处理技术,如渗透蒸发膜技术和蒸气压缩蒸馏技术,以及正在研究中的新型技术:冷冻浓缩及真空旋转蒸馏技术,并提出了未来发展方向。

计量级磁悬浮转子真空计技术研究

磁悬浮转子真空计为国际公认的高真空范围溯源/传递标准,因其优良的计量特性和化学惰性,广泛应用于航空航天、核工业、半导体和高端装备制造等领域。针对高真空范围传递标准国产化需求,开展了永磁偏置转子稳定悬浮、转子轴向位移精确测量、转子转速衰减速率动力学模型构建及高精度检测等关键技术研究,为计量级磁悬浮转子真空计研制、实现高真空范围真空量值溯源/传递国际等效,进而建立我国现代先进的真空计量技术体系奠定基础。

脉冲等离子体电推进系统实验技术研究进展

脉冲等离子体电推进是一种利用电容器脉冲放电产生电磁场,带电粒子被电磁场加速而产生推力的电推进系统。由于其结构简单、输入功率小、比冲较高,在微小卫星领域具有很好的应用前景。PPT从原理样机到飞行产品阶段需要进行大量实验,同时调研了英国、美国、日本以及国内部分高校的PPT电推进系统实验,从性能实验、环境实验、寿命实验方面讨论了PPT电推进系统需要开展的实验项目,其中性能实验包括元冲量测量、电参数测量、烧蚀质量测量、羽流诊断,环境实验包括力学、真空和EMC实验。

MEMS电容薄膜真空计关键技术研究

为了实现真空测量仪器的小型化,开展了MEMS电容薄膜真空计的研制。首先研制了差压式结构,以验证感压薄膜的性能,之后研制了绝压式结构,通过不断优化迭代,最后完成绝压式MEMS电容薄膜真空计样机研制。性能测试结果表明,真空计的测量范围为0.2~103 Pa,分辨率0.1 Pa,全量程准确度0.1%FS。对研制过程中解决的关键技术,如“平整大宽厚比感压薄膜制备”“非蒸散型吸气剂薄膜制备”“传感器封装”等进行了介绍,并对未来工作进行了展望。

真空弧推力器技术研究

微纳卫星因其简单、经济、可靠越来越广泛应用于空间任务,传统的推进系统通常不能应用于微纳卫星平台。真空弧推力器(VAT)是一种利用真空中正负极之间放电产生等离子体射流的电推进装置,适用于微纳卫星的理想电推进类型,具有比冲高、效率高、质量小和使用固态推进剂等优点。介绍了同轴型和环型真空弧推力器系统方案及实验测试结果,针对环型真空弧推力器开展了数值计算研究,利用PIC方法重点考察了磁场对推力器性能的影响,主要包括磁场对等离子体密度分布和离子速度分布的影响;实验测试包括电参数测试、离子速度测量和微小推力器测量等,结果表明真空弧推力器具有良好的性能。

空间电场特性及探测技术研究

空间电场是研究空间物理、空间天气学和空间环境的重要参量。论述了电离层空间准直流电场和交流电场的本质来源、表现形式及其频率和幅值等特性;指出了双探针式空间电场探测技术是目前主要采用的方法,而电子漂移式可作为对双探针式的验证与补充;在此基础上,阐述了双探针式和电子漂移式空间电场探测原理、数理模型以及物理本质。

聚酰亚胺材料的抗原子氧防护技术研究进展

低地球轨道环境中的原子氧具有高通量和强氧化性,会快速侵蚀航天器表面的聚酰亚胺材料,造成材料严重失效。针对聚酰亚胺材料抵抗原子氧侵蚀能力不足的问题,国内外研究人员积极探索,已提出多种抗原子氧防护技术,这些技术方案可分为包覆法、基体调控和外加涂层防护三个方面。此外,本文还整理了计算模拟探究抗原子氧防护效果的主要策略,指出计算与实验相结合有助于提高材料模型的准确性以及对抵抗原子氧侵蚀效果的预测能力。本文结合航天工程的实际应用,合理分析这三类防护措施的优势与不足,系统总结出不同聚酰亚胺基复合材料的抗原子氧防护性能。最后,对聚酰亚胺材料抗原子氧防护技术的研究工作进行总结,并展望了未来发展趋势。

6 W@80 K空间同轴脉管制冷机设计与实验研究

针对某空间红外载荷需求,基于Sage平台搭建了同轴脉管制冷机整机模型,根据仿真结果对冷头结构参数进行了设计计算。在此基础上,利用实验方法探究了回热器填充方式、惯性管组合方式、充气压力、输入功率、冷头方向对制冷机性能的影响,并与仿真结果比较,两者吻合度较高。研制成功的脉管制冷机整机质量为3.5 kg,输入功率150 W时,无负荷制冷温度为39.74 K,可获得7.23 W@80 K的冷量,整机相对卡诺效率13.26%,在空间用同轴脉管制冷机中处于先进水平。

磁光阱技术研究现状及发展趋势

磁光阱(MOT)作为激光冷却和陷俘原子的主要手段,在现代原子物理领域有着广泛应用。通过一对反亥姆霍兹线圈形成的磁阱和六束对射正交激光形成的光阱,将原子的温度冷却到接近绝对零度,可在很大程度上抑制原子的多普勒效应与碰撞效应带来的影响。相比于以热原子为工作介质的精密测量仪器,利用MOT技术研制的冷原子钟、冷原子干涉仪、冷原子加速度计等在性能上有大幅提升。阐述了MOT的基本原理及关键技术,综述了国内外MOT技术发展现状以及近年来在MOT性能提升方面开展的相关研究工作,分析总结了MOT技术发展趋势,主要包括小型化与微型化、大通量与高装载率以及参数智能优化等方面。