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。     

栅极系统电子返流对离子推力器寿命影响

栅极系统电子返流是离子推力器寿命的主要失效模式之一。以20 cm Xe离子推力器地面运行测试数据为基础,结合离子推力器栅极系统电子返流失效机理,预测了离子推力器在地面测试环境中和空间飞行环境中栅极系统电子返流对寿命的影响。预测结果表明:20 cm Xe离子推力器在地面试验环境中和空间飞行环境中的预期寿命分别为6 600 h和17 000 h。     

氙离子推力器放电室等离子体参数测量

论述了离子推力器的工作过程,同时介绍了静电探针的测量原理,设计制作了用于诊断离子推力器放电室等离子体特性的双探针测量系统.装置用于氙离子推力器放电室等离子体测量,获得了放电室等离子体参数(电子温度、离子密度等)与推力器工作参数之间的变化关系.     

离子推力器束流密度分布测量

介绍了法拉第筒的测量原理,分析了法拉第筒的测量误差,设计出用于离子推力器束流特性测量的法拉第筒仪器,成功地应用于20 cm离子推力器束流特性的测量.     

小卫星领域应用电推进技术的评述

小功率电推进已成为最有技术竞争力的小卫星应用的推进系统选择。在总结美国、俄罗斯、欧洲、日本等国家离子、霍尔、电热、PPT、FEEP等小功率电推进技术发展和小卫星应用情况的基础上,从轨道转移、大气阻尼补偿、位置保持、姿态控制、编队飞行等任务方面分析了小卫星对电推进系统的需求和应用电推进的必要性及可行性,针对小卫星主要任务需求分别提出了10 W、100 W和500 W级小功率电推进技术发展和应用方面的具体建议。     

中高功率离子推力器的性能参数分析研究

此次系统调研在已有高功率离子推力器研制情况的基础上,对中高功率离子推力器的主要性能参数进行了分析研究,得到了离子推力器性能随功率变化的经验关系,并应用这些关系分析预测了中高功率离子推力器的性能极限,得出了基于现有技术的离子推力器难以满足未来高功率电推进使命需求的分析结论。     

氙离子推力器放电室等离子体离子产生成本的测量与分析

离子推力器放电室等离子体离子的产生成本是影响推力器性能优劣的重要参数之一.从理论上分析了影响等离子体产生离子的能量消耗成本的基本因素,同时测量了不同工作条件下离子推力器的等离子体离子能量消耗成本值.试验结果与理论分析取得了良好的一致性.通过对试验结果的分析,得到离子推力器放电室等离子体离子消耗成本的最佳选取点.     

电子回旋共振离子推力器的研究进展

电子回旋共振离子推力器是一种静电式离子推力器,具有无电极烧蚀、比冲高、寿命长等优点,在未来的深空探测上具有广泛的应用前景。概述了电子回旋共振离子推力器的系统组成、结构、工作原理、性能和寿命实验状况。介绍了国内外该推力器的研究进展及发展现状,并根据实际情况,指出了国内该推力器的研究思路和发展方向。     

氙离子火箭发动机补偿栅极设计

离子光学系统是离子火箭发动机推力器中装配要求最严格的部件之一,其性能的好坏直接影响整个推力器的性能.栅极是离子光学系统的主要组件,作者主要针对大面积球面栅的束发散较大的问题,对栅极进行了补偿设计,目的是减小束发散角.     

离子推力器挡板通道等离子体模型研究进展

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。离子推力器通过设置阴极挡板可有效提高离子光学系统引出束流分布的均匀性,进而改善推力器的连续工作稳定性。介绍了Brophy关于发散场离子推力器挡板通道附近等离子体模型原理研究推导过程,以及通过实验测量卡夫曼型离子推力器挡板通道等离子体参数的分布情况,通过采用朗缪尔探针测量技术,获得挡板通道附近等离子体参数分布图,对将来10 cm离子推力器挡板通道等离子体参数分布研究起到理论指导作用。     

真空舱背景压力对离子推力器栅极系统工作性能影响的数值模拟

离子推力器地面寿命试验中,真空舱背景压力是影响推力器性能的重要因素之一。采用二维PIC/MCC方法对栅极系统受背景压力影响进行研究。模拟得到了20 cm离子推力器不同背景压力下栅极系统的电势分布、束流离子空间分布、单位时间内碰撞到加速栅极孔壁和下游表面的交换电荷数目、加速栅极电流等。计算结果与试验测得值很吻合,加速栅极下游表面的溅射腐蚀受背景压力的影响大于其孔壁腐蚀影响,考虑试验成本,可将地面试验真空舱背景压力设为5×10-4Pa。     

LIPS-200离子推力器束流模型及其应用

建立了基于测量数据基础的LIPS-200离子推力器束流模型,给出了模型中积分发散问题的解决方法。应用模型计算了LIPS-200推力器中远场束流分布,给出了束流发散角、推力修正因子、南北位保推力器安装角等应用实例。     

不同磁感强度下LIPS-200离子推力器放电室性能的研究

离子推力器放电室内永久磁铁产生的磁场大小及分布对提高放电室放电效率和约束等离子体起着非常重要的作用。利用离子推力器性能模型并结合试验测得的束流离子生产成本,分析放电室内磁感强度大小对LIPS-200离子推力器放电室性能的影响。数值计算结果显示永久磁铁厚度增加1mm,放电室内的磁感强度从原来的5．0×10^-3～3．0×10^-2T增加至1．0×10^-2-5．0×10^-2T。理论分析结果显示磁感强度增加50％,原初电子平均约束时间增加49．9％、原初电子和中性气体之间的碰撞概率增加6．9％、离子损耗减小64％、束流离子生产成本降低18．1％、推进剂利用率提高7．4％。放电损耗、推进剂利用率与磁感强度大小呈线性关系。该研究能够为今后离子推力器设计提供一定的参考。     

离子发动机空心阴极失效形式分析

空心阴极是离子发动机关键部件,研究其失效形式,对提高离子发动机的可靠性有重要意义.介绍了离子发动机空心阴极的工作原理,分析离子发动机空心阴极的主要失效形式,并根据分析结果,提出了一系列提高离子发动机空心阴极可靠性的途径.     

真空舱几何结构对离子推力器背溅射沉积影响的计算研究

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关键技术问题。本文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。结合LIPS-200推力器束流特性和石墨材料内衬,应用该模型分别计算和分析了平面靶圆柱型、平面靶圆锥台型、球面靶圆柱型、凸锥靶圆柱型、凹锥靶圆柱型五种真空舱几何形状与尺寸对离子推力器背溅射沉积的影响关系规律,得到了对具体设计LIPS-200推力器寿命试验真空舱具有指导作用的重要结论。     

Elektrische Antriebe für die Raumfahrt

Electric Propulsion for Space Flight This article describes electric rocket motors for satellites, probes and manned spacecraft based on principles used for material processing, too. The need for high exhaust velocities is explained and the limitations of conventional chemical thrusters are pointed out. Two important electric propulsion technologies, arcjet thrusters and gridded ion thrusters, together with their applications are described. Both types are currently successfully operated in space. Finally, a hybrid engine using an arcjet thruster and propellant heating by radiofrequency power is introduced. This concept is a potential solution for the propulsion demands of a future piloted mission to Mars.     

基于均匀化方法的离子推力器栅极组件的有限元分析计算

离子光学系统是离子火箭发动机推力器中装配要求最严格的部件之一,其性能的好坏直接影响推力器的性能。栅极是离子光学系统的主要组件,其结构为多孔球面薄板。基于均匀化方法利用ANSYS有限元软件建立了球面栅极组件的有限元模型,分别进行了栅极组件的模态分析和均布载荷下的位移、谐响应分析,为设计、加工和装配提供可靠的数据。