用于小行星探测的离子推力器技术研究

随着我国深空探测技术的发展,近地小行星的探测已列入实施计划,后续的深空探测活动也在规划中。研究基于国外深空探测技术对离子推力器的技术需求以及应用情况,针对我国小行星探测离子推进技术的应用进行了分析与研究。着重阐述了满足我国首颗近地小行星探测使命的离子推力器研究,以现有成熟离子推力器为基础,对其进行性能提升研究。性能改进后的离子推力器,能够实现40和60mN两种工作模式,通过组合应用,可实现40、60、80、100和120mN共5种推力模式,以满足小行星探测的需求。

嫦娥五号发动机降落羽流扬尘特性研究

在月球探测器着陆过程中,发动机羽流与月面相互作用后溅起的月尘是月面环境危害的主要来源。本文以嫦娥五号任务测试数据作为仿真入口条件,采用计算流体动力学(CFD)两阶段法建立了嫦娥五号任务中使用的喷管1∶1模型和真空羽流扩散侵蚀模型,研究了喷管在不同降落高度下的侵蚀速率,并计算了发动机距离月面高度为0.5~2.0 m范围时月尘颗粒的运动轨迹、扬尘角和速度特性。结果表明,基于剪切应力得到的最大侵蚀速率为8.83 kg/m^(2)s,随着高度增加,侵蚀速率降低,与嫦娥五号降落相机相同高度下的分析结果一致。粒径为1、70ìm的月尘颗粒最大扬尘高度分别为0.72、0.36 m,最大速度分别为2520、1010 m/s。不同粒径月尘的扬尘角范围为1.44°~2.27°,计算的扬尘角与Apollo探月任务中的结果相近。

星载永磁霍尔推力器磁场分析与实验研究

磁场是评价星载霍尔推力器性能水平及工作特性的重要因素,也是开展推力器优化设计的重要自由度。针对航天器姿态调整等空间轨道任务对霍尔推力器应用需求,分析了影响永磁霍尔推力器磁感应强度的关键因素。在此基础上,利用磁路等效法,采用有限元离散形式,建立了基于永磁材料的霍尔推力器磁场模型,利用国外同类产品工程数据验证了磁场模型分析方法的可行性和计算结果的正确性,最终获得了设计所需的推力器磁路构型、永磁体结构尺寸及相应的永磁霍尔推力器样机。将永磁霍尔推力器磁场分析结果与实测结果进行对比,并对整机性能进行了实验验证,结果表明:推力器性能实验结果与设计要求相符性较好,额定供气、供电状态下,推力器阳极电流符合设计要求,整机推力达到3.52mN,比冲达到685s,较好地实现了永磁霍尔推力器设计目标。

20cm氙离子推力器性能扩展研究

为了满足未来深空探测任务的需求,在20cm氙离子推力器的技术基础上,对其性能进行扩展提升研究,将推力提高50%,使推力由原来的40m N提高到60m N。通过对离子推力器工作参数的分析与研究,确定了离子推力器60m N推力模式的工作参数,并进行了优化实验。结果表明:性能扩展的20cm氙离子推力器推力提高到60m N,比冲提高到3500s,效率也提高到65%,并能够在40m N和60m N二种推力模式下工作。通过对2台推力器的组合,能够实现40,60,80,100,120m N五种推力工作模式。

低功率霍尔推力器束流发散和推力矢量偏心特性研究

为了准确掌握不同工况下混合励磁模式低功率霍尔推力器束流发散和推力矢量偏心特性,凭借自主设计和改进的一套快速评估霍尔推力器束流发散角和推力矢量偏角原位集成诊断装置,系统研究了推力器在不同阳极质量流率、磁场、电场下束流分布和推力矢量偏心特性的变化规律。结果表明,束流发散角随阳极质量流率(0.65~0.95mg/s)和磁场强度(112~142Gs)的变化呈现负相关的特性。当阳极质量流率为0.95mg/s时,束流发散角降到29.1°(<30°),推力矢量偏角随阳极质量流率和磁场强度的变化分别存在极大值(1.19°)和极小值(0.91°)。束流发散角、推力矢量偏角在放电电压为250~330V时基本保持不变。

类聚合物碳薄膜的制备及其摩擦学研究进展

空间润滑技术是支持航天工程的基础性关键技术,与航天工程的成败直接相关,对有效载荷的使用性能具有重要影响。近年来,我国航天事业的快速发展对空间飞行器提出了超长寿命、超高精度、高稳定度、大转矩、低功耗、低振动、低噪音、小型化、轻量化等新要求。这些新要求将迫使空间润滑由传统润滑向超润滑(摩擦系数低于0.01的润滑状态)的方向发展。类聚合物碳(PLC)薄膜因在高真空下具有超润滑性能而被视为一种潜在的新型空间固体润滑材料。PLC薄膜是一种具有高氢含量(40%(原子分数,下同)以上)、低硬度(10 GPa以下)、宽光学带隙(1.7～4 eV)等类似碳氢聚合物特征的含氢非晶碳(a-C:H)薄膜。与其他a-C:H薄膜一样,PLC薄膜的制备也是采用基于等离子体放电的真空气相沉积技术,但是PLC薄膜的生长需要在低离子能量条件下进行。因此,PLC薄膜的生长由表面吸附机理主导,这使得PLC薄膜具有较高的氢含量和较大的自由体积。基底偏压是控制离子能量的主要沉积参数:低的基底负偏压对应于低的离子能量。常见的PLC制备技术有:反应磁控溅射、电感耦合等离子体化学气相沉积、微波辅助射频等离子体化学气相沉积等。目前研究者提出了两种摩擦机理来解释PLC薄膜在高真空下的超润滑行为:氢钝化机理和网络结构弛豫机理。这两种机理分别从化学和机械的角度解释PLC薄膜的超润滑行为。氢钝化机理强调氢原子对PLC摩擦界面处碳悬键的钝化作用,该机理已经被许多实验和理论研究验证。网络结构弛豫机理突出自由体积增强PLC网络结构弛豫能力,进而减弱摩擦界面处微凸体间碰撞阻力的作用。尽管有一些实验结果可以佐证网络结构弛豫机理,但是目前还缺少在原子尺度上对该机理的进一步证实和阐述。本文综述了PLC薄膜的真空沉积技术及其摩擦学性能与机理的研究进展,指出了低离子能量是沉积PLC薄膜的关键,并凸显了"自由体积"在PLC薄膜摩擦磨损中的角色。最后,对未来PLC薄膜的研究发展方向进行了展望,指出PLC薄膜的纳米复合化和多层化有望成为实现长寿命超润滑与环境自适应超润滑的技术突破口。

C12A7:e^-的制备及其热发射性能研究

电子化合物C12A7:e^-因其具备较低的功函数以及在室温下良好的稳定性而在阴极材料的选择中具有巨大潜力。采用铝热法固相合成C12A7:e^-具有制备方法简单、产物纯度高的特点。通过X射线衍射仪、扫描电镜、紫外-可见-近红外光谱仪和超高真空测试平台分别对其物相组成、微观形貌、漫反射吸收特性和热发射性能进行了表征。结果表明,不同铝粉含量的掺入对C12A7:e^-的合成以及热发射性能有较大影响。在1150℃的烧结温度下5%的铝粉含量的掺入就可以直接一步合成C12A7:e^-;铝粉含量为10%的样品在温度为1250℃、电场强度为9100 V/cm时热发射电流密度为0.23 A/cm2,其电子浓度为1.45×10^21 cm^-3,功函数为2.17 eV。

30cm氙离子推力器磁场特性分析与优化设计

放电室磁场设计直接影响放电室的放电稳定性及推力器在轨工作寿命,针对多种工作模式下30cm氙离子推力器磁场设计的复杂性问题,对推力器电磁体磁场向永磁体磁场转换中放电室的磁场特性进行了研究,并对永磁体磁场的关键参数进行优化设计。建立30cm氙离子推力器放电室磁场转换的磁路模型,运用有限元分析理论,利用实际工程数据验证磁路模型计算结果的正确性与方法的可行性。在此基础上,分析获得给定磁路构型下产生要求磁感应强度的永磁体关键尺寸。以放电室工作阳极震荡电压、减速栅极电流、加速栅极电流和磁路系统质量为目标,采用多目标粒子群优化算法,对永磁体的关键参数进行优化,得到30cm氙离子推力器设计性能目标下的磁路构型最优结果。本研究可为高效、稳定工作的离子推力器磁路设计及优化提供方法。

那曲地区浅薄残余层对对流边界层发展的影响

利用那曲站2016年夏季探空数据及其他气象观测数据,对8月25日和26日那曲大气边界层结构进行了研究。发现8月25日和26日白天晴空对流边界层的发展过程存在显著差异。8月25日和26日14:00(北京时,下同)的边界层高度分别为1244 m和1966 m,而25日和26日08:00-14:00累计的地表感热通量分别为605 W·m-2和650 W·m-2。也就是说,在地表感热加热的累计通量的差异仅为7%的条件下,白天晴空对流边界层高度的差异能达到60%。进一步分析发现,浅薄残余层的存在可能是造成边界层高度差异的主要原因。本文还初步评估了欧洲中期天气预报中心最新一代高时空分辨率的再分析数据ERA5在那曲地区的适用性。结果表明,8月26日的ERA5再分析数据可以基本再现位温、风速的垂直分布特征,边界层高度也与观测比较一致,但峰值时间存在滞后性。

空间尘埃探测进展与发展建议

空间尘埃探测能为太阳系起源、演化和生命起源等重大基础科学问题的研究提供重要线索。文章简要回顾了近年来国内外在空间尘埃探测领域取得的重要进展,在比较国内外技术水平和研究现状的基础上,探讨了未来空间尘埃探测的发展趋势,并提出以空间尘埃探测载荷技术、模拟标定技术、模型构建及数据分析技术等为核心的发展建议。此外,还要加强空间尘埃探测领域人才培养,打造一批本领域高素质专业技术人才队伍。

氙离子推力器束流双荷离子特性及诊断

为了对离子推力器束流中双荷离子比例进行快速评估,采用放电室经验理论模型通过实验参数获得放电室等离子体参数,根据单、双荷氙离子的不同产生过程,计算得到束流中双/单荷离子密度比.针对兰州空间技术物理研究所20cm氙离子推力器进行了实验,使用E×B探针束流诊断系统获取了束流中双/单荷离子的平均比率.结果表明:在额定工况下理论计算值为0.071与测试结果为0.077符合良好.

氙离子推力器阳极工质分配方式优化

使用两种数值方法研究微尺度下惰性气体的流动现象,验证表明壁面速度滑移条件的N-S(Navier-Stokes)方法能够较好地模拟离子推力器气体分配环内工质流动特性.为了降低氙工质注入放电室过程中气流速度,并改善其周向均匀性,针对现有气体分配环构型提出符合4级环切场离子推力器放电特性的改进方案:增加2级供气通道,进行双侧45°角开孔并增加气孔数目.数值计算表明:结构优化后氙气进入放电室周向均匀性提高37%,气流速度降低32%;推力器装配优化方案气体分配环进行实验,大束流工况下束离子电离能耗自183W/A下降至167W/A,离子推力器放电室性能得到了提高.

影响PSSD位置分辨因素的蒙特卡罗模拟

以粒子与物质相互作用为理论基础,使用FLUKA蒙特卡罗模拟软件分析带电粒子的能量、入射角度、探测器厚度和灵敏面积等因素对位置灵敏硅探测器(PSSD)位置分辨能力的影响。模拟结果表明,随着电子能量的增加,探测器的位置分辨能力变差,当电子能量增大到可以穿过探测器时,位置分辨能力随着能量的增加逐渐提高;对于不同厚度的探测器来说,当电子能量完全沉积在探测器中时,探测器的位置分辨能力基本相同,当电子能量未能完全沉积在探测器中时,厚度较大的探测器位置分辨能力相对较差;探测器的面积有限会影响位置分辨能力;当电子以入射角度α≤45°入射探测器时,探测到的电子位置会沿着入射角度发生偏移,入射角度越大,偏移越明显。