单模式LIPS-200离子推力器的寿命及可靠性定量评估

针对离子推力器产品工作寿命及可靠性定量评估的难题,结合单工作模式LIPS-200离子推力器产品成熟度提升需求,通过寿命主要影响因素耦合分析,应用试验数据、数值模型和数理统计方法,提出了单工作模式离子推力器寿命及可靠性定量评估的可行技术途径:通过分析模型、验证试验和数值模型之间的不断迭代实现各失效模式对应磨损模型的精细化...     

LIPS-200离子推力器寿命地面试验方案研究

在系统调研和分析国外用于地球静止轨道（GEO）卫星南北位置保持的离子推力器寿命试验方法和技术的基础上,结合我国通信卫星工作寿命需求和LIPS-200离子推力器产品研制现状,提出和论证了LIPS-200离子推力器地面寿命试验验证的目的和技术方案,讨论和分析了与寿命试验方案密切相关的内容。     

离子推力器热真空试验研究

为了验证离子推力器的空间环境适应性,对离子推力器进行了热真空试验研究,确定了热真空试验的温度。试验结果表明:离子推力器在热真空环境中,启动和工作正常,性能稳定,满足空间环境要求。     

离子推力器栅极非预期电击穿评述

离子推力器栅极组件易发生非预期电击穿，不但影响离子推力器的工作稳定性与可靠性，还会对推力器栅极组件和电源造成严重危害，甚至导致其失效。文章从离子推力器地面试验现象出发，归纳评估非预期电击穿的击穿特性及机理，并在此基础上归纳评估不同电击穿类型及其危害性，最后给出离子电推进电击穿的后续研究建议。     

20 cm氙离子推力器3 000 h寿命实验

为了验证20 cm氙离子推力器的寿命,进行了约3 000 h的寿命考核实验。在实验过程中,测试推力器性能参数、离子光学系统性能以及放电阴极和中和器阴极的能耗变化。通过对测试数据的分析来判断推力器的寿命终止时间。实验表明20 cm氙离子推力器连续累计工作3 000 h后,性能指标满足设计要求,其寿命已超过3 000 h。     

适用于微纳卫星的微型电推进技术研究进展

微型电推进技术具备体积小、质量轻、功耗低、比冲高等特点,是微纳卫星最合适的动力技术。结合微纳卫星对微型电推进系统的技术需求,综述了微型离子推力器、低功率霍尔推力器、场致发射电推力器、离子液体电喷雾推力器、真空电弧推力器、脉冲等离子体推力器等六种典型微型电推力器的工作机理、性能参数范围及研究和应用现状,分析了气体工质电离、液体工质电喷雾、固体工质烧蚀等三种电离机制的微型电推力器的技术特点。结果表明:气体电离模式技术较成熟、寿命长,缺点是系统相对复杂、低功率工作时效率大幅下降,故建议应用于微卫星动力系统;液体电喷雾模式结构简单,效率高,微纳卫星均可应用,但性能一致性和长寿命工作特性需要进一步考核验证;固体烧蚀模式结构最简单,微纳卫星均可应用,缺点是效率低。研究结果可为微纳卫星推进系统方案的优选提供参考。     

离子液体静电喷雾推力器研究进展及关键技术

综合文献及作者实践，介绍了离子液体静电喷雾推力器(ILET)的工作原理和特点。从ILET工作过程数值分析研究、结构研究、性能测试及束流诊断三方面总结了离子液体静电喷雾推力器的研究现状。在此基础之上总结和评述了数值模拟技术、高精度制造与装配、微功率高压电源、推力器性能测试等推力器研制过程涉及的关键技术及存在的困难。最后针对离子液体静电喷雾推力器技术和未来应用，给出了相关认识和建议。     

1 mN射频离子推力器参数与性能分析

射频离子推力器是空间电推进的一种,其推力性能是系统设计的核心问题。为获得推力特性随设计参数的变化规律,采用数值计算方法进行了研究,开展了1 mN射频离子推力器设计计算,对不同放电室尺寸、流量、射频功率、屏栅电压下的推力性能进行了分析并进行了工况优化。结果表明,模型能够正确地描述射频离子推力器性能变化规律,放电室内径25 mm的推力器即可以实现1 mN推力指标,在最优工况下,推力器推力1.176 mN,比冲2 503 s,效率53.13%,满足设计要求。根据该模型研制的推力器样机成功点火,验证了数值模型的有效性,可以利用该模型为射频离子推力器研制工作提供指导。     

环型离子推力器放电机理研究进展

环型离子推力器是未来大功率电推力器中一个极具潜力的发展方向,将来有望广泛用于探月与载人航天、火星探测等深空探测任务。介绍了环型离子推力器的特点、优势和价值,指出了目前阻碍环型离子推力器发展及应用的关键问题。为了研究环型离子推力器的放电机理,综述了环型离子推力器放电室设计参数,如几何参数、电磁场参数和推进工质分布等,以及对其放电特性的影响;重点介绍了环型离子推力器与传统考夫曼型离子推力器相比差异较大的实验现象。在此基础上,介绍了环型离子推力器放电机理的数值模拟研究现状。最后,对环型离子推力器放电机理的研究及下一步发展进行了展望。     

霍尔推力器羽流离子能量实验研究

霍尔推力器羽流中的离子能量分布情况对于评估推力器羽流影响,优化推力器在航天器上的布局具有重要意义。本文使用阻滞势分析器对霍尔推力器羽流的离子能量分布进行了实验研究,获得了推力器在不同工况下羽流场中关注位置的离子能量分布状况。实验结果表明:霍尔推力器羽流离子主要由电荷交换碰撞产生的低能量离子和高能量源离子组成;高能量源离子的分布在推力器轴线达到最大值,低能量离子的分布随着与推力器轴线夹角的减小呈先增后减态势;随着霍尔推力器放电电压的提高,羽流源离子能量分布会相应向高能量方向偏移。     

地面寿命试验中离子推力器表面的溅射沉积量计算

有效降低溅射沉积影响是离子推力器地面寿命试验需要解决的重要技术问题。文章建立了真空舱壁上溅射物沉积到离子推力器表面的计算模型。应用该模型计算了LIPS-200推力器在TS-7真空舱中进行寿命试验的背溅射沉积情况,对钛（Ti）材料和石墨（C）材料内衬,背溅射沉积量分别为0.79 μm/kh和0.20 μm/kh。对比美国NSTAR和NEXT离子推力器寿命试验中的背溅射沉积量测量数据,文章中的计算结果表明,LIPS-200推力器的表面沉积污染在可接受的范围。     

20 cm离子推力器电磁辐射试验研究

离子推力器工作时会产生对外电磁辐射,因此离子电推进应用于航天器时存在电磁兼容性问题。为初步了解离子推力器工作产生的电磁辐射特性,利用经改造后的地面专用试验系统进行了20 cm离子推力器电磁辐射测试试验。文章介绍了20 cm离子推力器电磁辐射的试验方案,采用两种形式进行:推力器电场辐射发射试验,测试频段为10 kHz～5 GHz;推力器瞬态电场辐射发射试验,测试频段为100 kHz～5 GHz。试验结果表明:在离子电推进稳态工作过程和几个瞬态工况点,未发生电磁干扰现象。     

氙离子推力器束流分布特性研究

建立了离子推力器束流分布的高斯模型,以200mm氙离子推力器为例,在不同工作环境下对推力器束流分布进行了数值模拟,并通过试验测量了推力器引出切面不同位置(轴向z=50mm,z=100mm)下的径向束电流密度和束离子密度分布。通过对数值模拟结果与试验测量结果的比较,误差为17%,认为数值模拟结果与试验测量结果吻合较好。表明离子推力器引出束流呈轴对称分布,在推力器出口附近,束离子密度很大,越往下游,密度越小且束流出现发散。     

霍尔推力器等离子体羽流粒子模拟

建立了霍尔推力器羽流仿真模型,用单元粒子-直接模拟蒙特卡罗（PIC-DSMC）混合方法对SPT-7推力器的流场进行数值模拟,分析背压、扩张角和电子温度对流场的影响。结果表明：背压粒子增加了回流区内离子和高速粒子,加重羽流污染。SPT-70推力器羽流出口处扩张角约为30°。实验数据验证了仿真模型的正确和方法的可行,对电推力器及其羽流污染等的研究有一定的参考价值。     

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。     

霍尔推力器工作性能数值模拟研究

为了模拟霍尔推力器推力、比冲等工作性能,采用粒子网格单元与蒙特卡洛相结合(PIC/MCC)方法,建立了霍尔推力器二维轴对称模型。模型中电子和离子均采用粒子描述,中性原子为背景气体,自洽电势通过求解泊松方程获得。跟踪推力器出口处离开的离子数量、轴向速度等信息,通过统计计算得到推力器的推力、比冲。以LHT100推力器为研究对象,针对不同的工作参数(阳极流量在4.6~5.4 mg/s,阳极电压在280~320 V之间)共进行了9种工况数值模拟,并进行试验对比验证,模拟结果与试验测试结果均较好吻合,最大误差小于10%。     

离子液体电喷推力器的关键技术及展望

首先介绍离子液体电喷推力器的工作原理和分类,通过与其他相同推力量级的电推力器对比进一步分析了其特点,然后总结了离子液体电喷推力器的国内外研究现状,在此基础上重点梳理了微尺度下带电粒子的产生与加速、微细制造与精密装配、推进剂贮存和供给、高升压比微功率电源处理单元以及比冲和推力测试等离子液体电喷推力器研制过程中涉及的关键技术,最后展望了小型化、模块化与推力密度提升的发展趋势并提出离子液体电喷推力器的发展构想。     

磁屏蔽霍尔推力器磁场设计及实验验证

磁屏蔽能够有效减缓等离子体对霍尔推力器放电室壁面的腐蚀,是延长推力器寿命的有效途径,可以将霍尔推力器的寿命提高至满足长寿命航天任务要求的水平,有巨大的发展潜力。对磁屏蔽技术原理进行了分析,以口径120 mm的霍尔推力器为对象进行了磁场设计和验证实验。提出了一种壁面磁力线向阳极弯曲程度最大且与壁面尽量不相交的磁场构形,是该实验样机壁面磁力线等势程度最高的构形,10 h点火后磁屏蔽构形壁面腐蚀状况与传统构形壁面相比,全部壁面被沉积的黑色物质覆盖,显著减少了离子对放电室壁面的腐蚀。验证了该磁屏蔽磁场构形的显著效果,并对该磁屏蔽霍尔推力器的性能进行了初步研究,阳极流量62 sccm、放电电压300 V下的最优效率为54.23%,对应的羽流状态为"长筒状"。     

离子推力器栅极放电分析和保护设计

离子推力器的栅极结构复杂、电压高,两栅之间容易发生放电,给离子电推进正常工作带来影响,文章提出推力器加工工艺和过程污染物是产生放电的主要原因。分析国内外离子电推进系统放电现象,建议采用放电保护设计,以有效保护电推进系统及卫星的正常工作。文章以电源处理单元为主,给出了针对离子推力器栅极放电的保护设计和系统控制保护措施。     

基于E×B探针系统的霍尔推力器束流特性分析

为探究霍尔推力器羽流中各价态离子能量分布，并以此为依据评估推力器性能，根据Wien条件，设计了一种用于测量稀薄等离子体羽流场不同电荷状态离子分布的E×B探针系统。基于对探针最大输入角离子的运动分析，推导了仅与探针结构参数相关的能量分辨率关系式，并以此为依据设计了探针，使用该E×B探针系统对200 W量级霍尔推力器进行羽流离子成分诊断。分析结果表明:距离推力器出口500 mm处，在中轴线角度0~20°内，单电荷氙离子Xe⁺比例分数为90.42%~94.25%，对应的Xe²⁺比例分数为9.58%~5.75%;随着角度的增加，Xe⁺比例分数减少，Xe²⁺比例分数增加，平均电荷增加;推力器的电荷利用效率、电压利用效率分别为99.38%、86.95%。该探针系统的测量结果可为分析推力损失和优化推力器性能提供参考，并可为羽流仿真提供验证。