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当期目录

    2016年, 第36卷, 第1期 刊出日期:2016-02-25 上一期    下一期
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    专题述评
    无中和器射频离子推力器原理研究
    夏广庆, 徐宗琦, 王鹏, 朱雨, 陈茂林
    2016 (1):  1-8.  doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0004
    摘要 ( 937 )   PDF(1879KB) ( 2181 )  
    在电推力器的广泛应用中,大部分都采用加速正离子的方式产生推力,且需要安装中和器发射电子对喷射出的正离子进行中和,否则会导致航天器自充电,对其通信及电子器件造成损害。因此,中和器的性能成为制约电推力器工作状态和寿命的重要因素。为了克服该缺点,介绍了一种基于同时加速正、负离子的无中和器射频离子推力器,阐述了其结构组成及推进原理,分析了离子-离子的产生、正负离子的加速过程,指出了关键技术包括电负性工质气体放电特性、磁场过滤电子束缚效能,以及可周期性交替加速正、负离子的栅极偏置电压加载方式。分析表明,该推力器在低轨航天器及深空探测器中具有潜在的应用前景。
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    研究探讨
    超声电喷推进机理研究
    张姚滨, 杭观荣, 董磊, 康小明, 赵万生, 张岩, 康小录
    2016 (1):  9-17.  doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0005
    摘要 ( 966 )   PDF(4846KB) ( 1145 )  
    超声电喷推进是一种新型的电推进技术,主要用于解决胶体推力器等电推力器发射点集成困难、发射点数密度低的问题。通过将超声振动产生的大量微细驻波作为发射源,超声电喷推进将从根本上提高发射点的数目和密度,形成较大的推力密度。文章对超声电喷推进的发射机理进行了研究,得到相应的理论发射模型。通过对发射表面上微细驻波的形成过程、带电液滴的分离过程进行理论分析,建立了静电场条件下微细驻波波峰临界状态的平衡方程,推导出微细驻波波峰局部半径以及发射液滴尺寸的理论解,并提出了发射电流、比冲和推力的估算方程。在此基础上,分析了极间电场强度、超声振动频率、超声振动功率、推进剂性能黏度、推进剂表面张力系数和电导率对超声电喷推进性能的影响规律,并进行了试验验证。
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    基于高斯伪谱法的化-电混合推进系统转移轨道优化设计
    杨博, 陈子匀, 温正, 苗峻
    2016 (1):  18-25.  doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0006
    摘要 ( 973 )   PDF(3972KB) ( 1200 )  
    提出利用化-电混合模式推进系统完成地球同步卫星轨道转移任务,该推进系统极具应用前景,能够满足高有效载荷率、高入轨精度的工程实践需求。并针对基于该混合模式推进系统的转移轨道的优化方法展开研究,提出一种多阶段最优控制问题(OCP)的高斯伪谱法求解方法。该方法通过分段点的关联设置,将多个经高斯伪谱法转化而来的非线性规划问题转化为一个连贯的非线性规划问题(NLP)。两个不同算例的仿真过程与分析结果表明,该方法能够有效地解决多阶段非光滑连接轨道的优化问题,具有运算效率高、收敛性半径大、求解精度高等优点,可便捷地处理化电混合模式推进系统的转移轨道优化设计问题。
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    会切磁场推力器低频振荡特性
    胡俊锋, 刘辉, 李建置, 孙强强
    2016 (1):  26-34.  doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0007
    摘要 ( 963 )   PDF(2204KB) ( 911 )  
    针对会切磁场推力器的低频振荡特性,将推力器的工作模式分为高电流模式和低电流模式,在此基础上研究了低频振荡随工作参数和磁场位形的变化特性,并针对推力系统外回路对低频振荡的影响进行了研究。结果表明,在高质量流量下,随着放电电压的增加,会切磁场推力器的工作模式从高电流模式转换为低电流模式。在高电流模式下,放电电流具有高振幅、低频率的特征,羽流比较模糊,并且电流振荡幅值随着放电电压增大呈先增大后降低的趋势,而对应的振荡频率随着放电电压的增大而增大。在低电流模式下,放电电流具有低振幅、高频率的特征,羽流有两条明显的亮线,并且电流振荡幅值和频率均随放电电压的增大而增大。在不同工况下,随着质量流量增大,放电电流振荡幅值和频率均呈现增大的趋势。研究还发现,外回路中的电阻和电感对低频振荡起到一定的抑制作用,而电容对低频振荡的影响并不明显。
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    ECR中和器改进试验研究
    罗立涛, 杨涓, 金逸舟, 孙俊, 韩飞
    2016 (1):  35-42.  doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0008
    摘要 ( 1018 )   PDF(2762KB) ( 842 )  
    目前国内电子回旋共振(ECR)中和器的研究存在电子束流不能连续引出的问题,为此通过改进中和器天线结构及优化电子引出孔径来改善中和器的性能。试验结果表明:中和器结构改进及优化后其电子束流可以随着接触电压的升高而连续变化,同时提高了中和器的推进剂利用效率、降低了电子产生损耗。推进剂利用效率和电子产生损耗在中和器结构改进前后分别为1.278 9和194.573 W/A,1.659 8和126.3 W/A。试验还通过静电探针诊断出中和器耦合天线附近等离子体密度分布在1.72×1017~12.1×1017 m-3范围内。
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    电弧推力器约束通道内流动特性数值模拟
    魏福智, 何艳, 耿金越
    2016 (1):  43-50.  doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0009
    摘要 ( 962 )   PDF(6270KB) ( 1072 )  
    约束通道对电弧推力器的性能有着重要的影响,文章采用基于局域热力学模型(LTE)的数值模拟方法对中等功率电弧推力器内等离子体流动进行了数值模拟,考察了电流、入口压力、约束通道尺寸及不同推进剂对约束通道内等离子体流动的影响,分析了约束通道内非均匀流动现象,最后对推力器的性能、效率等进行了讨论。计算结果表明,随着电流的增加电弧高温区变粗变长,随着入口压强的增加电弧高温区半径减小而长度增加,随着约束通道半径的减小电弧高温区变得细长,随着约束通道长度的增加高温区的长度增长而半径无明显变化,氢气的高温区明显小于氮气和氩气;约束通道内只有小部分气体通过高温区被电离,大部分气体沿着壁面附近的低温区流动;约束通道内焦耳热约占总焦耳热的60%~80%,主要受约束通道长度影响。
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    霍尔推力器预电离对低频振荡及壁面腐蚀影响的研究
    权路路, 邢伟, 鹿畅, 龚科瑜, 曹勇
    2016 (1):  51-57.  doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0010Hall
    摘要 ( 861 )   PDF(3400KB) ( 1036 )  
    ATON型霍尔推力器提出后,基于缓冲区的预电离现象的系列研究随之展开。但是迄今为止,预电离率的选择仍然未有定论。文章基于SPT-100型霍尔推力器的真实工作尺寸,建立了二维轴对称全粒子网格质点法(PIC)模型对推力器放电室内的放电过程进行模拟,并通过施加不同的缓冲区预电离率着重研究了预电离率与放电通道低频振荡和推力器壁面腐蚀之间的关系。研究结果显示,缓冲区预电离率的提高可以有效抑制放电通道内的低频振荡,使推力器工作性能提高。但与此同时,由于撞击通道壁面的离子能量增加导致通道壁面腐蚀加剧。
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    供气周向不均匀对霍尔推力器放电特性及性能的影响
    范金蕤, 丁永杰, 孙国顺, 于达仁, 魏立秋
    2016 (1):  58-62.  doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0011
    摘要 ( 887 )   PDF(3530KB) ( 901 )  
    研究发现,由于气体分配器安装及制造误差,或者出气孔被溅射产生的粒子阻塞容易导致霍尔推力器周向出气不均匀。采用堵塞气体分配器出气孔的方式实现周向不均匀气体分布来研究供气周向不均匀程度对霍尔推力器放电特性及性能的影响,试验得到了不同情况下的电流特性、近场区离子电流密度分布以及整体性能参数。结果表明,出气周向不均匀导致放电电流增加,增量最大可达25%以上,放电电流振荡严重,同时减小了推力器的效率和比冲。
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    技术交流
    GEO卫星霍尔推力器羽流防护结构混合PIC模拟
    刘辉, 罗晓明, 温正, 王珏, 于达仁
    2016 (1):  63-69.  doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0012
    摘要 ( 1137 )   PDF(7300KB) ( 580 )  
    针霍尔推力器应用于GEO卫星时,羽流会对太阳能翼板表面高透光玻璃盖片产生一定的影响,导致太阳能电池整体输入功率降低。因此,有必要针对羽流的影响对翼板表面进行一定的防护。在对目前国内外羽流安全性评估及防护方面的工作进行一定调研的基础上,针对SPT100应用于典型的GEO轨道卫星时的情况,利用SPIS软件运用混合单元粒子(PIC)方法模拟了两种可能的太阳能翼板羽流防护方案,并分析比较了每种方案的优缺点及防护效果,为推力器在轨飞行时的羽流防护提供一定的借鉴。
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    电推进卫星角动量卸载研究
    马雪, 韩冬, 汤亮
    2016 (1):  70-76.  doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0013
    摘要 ( 923 )   PDF(3521KB) ( 1048 )  
    电推进卫星需要在进行位置保持的同时通过将推力器的指向略微偏离质心来产生控制力矩,完成角动量卸载。针对该问题,文章在给定推力器开机位置、时长和动量轮目标卸载量的情况下,提出了正常模式和故障模式下的角动量卸载算法。通过对推力模型的简化,得出了推力器最优偏转方向的解析解,并对考虑推力器弧段损失和不考虑弧段损失的角动量卸载算法进行了比较。仿真结果表明,所提出的卸载算法能够在进行位置保持的同时完成角动量卸载,为电推进卫星的在轨控制策略提供了有效解决方案。
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    放电电压和屏栅电压对离子推力器性能的影响
    王雨玮, 任军学, 吉林桔, 汤海滨
    2016 (1):  77-84.  doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0014
    摘要 ( 813 )   PDF(4336KB) ( 1199 )  
    利用试验和数值模拟相结合的方法研究6 cm Kaufman离子推力器放电电压和屏栅电压的变化对其工作性能的影响。试验中,离子推力器使用氩气作为推进剂,测量了多组不同工况下的性能参数。此外,基于Goebel的理论模型模拟了放电电压对束流电流和推进剂利用率的影响;采用单元内粒子蒙特卡罗碰撞(PIC-MCC方法模拟屏栅电压对束流电流、推进剂利用率和加速栅极电流的影响。试验和数值模拟结果一致,发现当放电电压逐渐增大时,引出的束流电流和推进剂利用率先增加然后趋于稳定;当屏栅电压逐渐增大时,引出的束流电流和推进剂利用率先增加然后趋于稳定,加速栅极电流先减小后趋于稳定。研究可以为提高多模式离子推力器的性能提供参考。
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    地球静止轨道LIPS-300离子电推力器热设计与优化
    胡帼杰, 李健, 刘百麟
    2016 (1):  85-96.  doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0015
    摘要 ( 1327 )   PDF(9287KB) ( 614 )  
    LIPS-300离子电推力器工作时产生的大量热耗会严重影响其工作性能,因此推力器的热控设计和在轨温度预计是推力器设计的关键技术之一。文章首先提出了地球静止轨道LIPS-300离子电推力器热设计,建立了离子电推力器热分析有限元模型。然后,针对典型的地球静止轨道位保工况开展了LIPS-300离子电推力器的在轨热分析,得到了LIPS-300离子电推力器重点部件在轨工作时的温度预计:下极靴、阳极筒、屏栅、下磁钢为主要的高温位置,且下磁钢温度可能超出材料温度上限。最后,基于热分析的结果结合离子电推力器的特点提出适当增加外壳散热面积是离子电推力器优化设计的有效方向,而增强阳极筒、极靴与屏栅筒间的内部换热是无效的设计优化方向。
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    μ-PPT等离子体电子密度氢光谱诊断技术
    王尚民, 张家良, 张天平, 冯杰, 郑茂繁, 黄永杰
    2016 (1):  94-102.  doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0016
    摘要 ( 1031 )   PDF(3229KB) ( 995 )  
    为了能够表征推进剂烧蚀产物的有效加速度及推进剂利用率,需要更准确地测量等离子电推力器(PPT)内等离子体的基础状态参数(电子密度、电子温度),提出了基于光谱线Stark加宽分析,提高PPT放电通道内等离子体电子密度诊断精度的一种方法。针对来自于推进剂的C原子谱线,测量线型函数和半高全宽(FWHM),可以计算电子密度,但要求等离子体电子密度需足够高。当电子密度低于1016 cm-3,此方案的测量可靠性便显著降低。为此,提出了通过向放电空间引入微量含氢气体作为示踪剂,测量H原子谱线线型和半高全宽进而诊断电子密度的技术方案。相比于C原子谱线诊断方案,氢方案可以大幅度提高电子密度测量下限至1013 cm-3,因此能够显著改进电子密度测量准确性和可靠性。
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    离子发动机羽流空间电位诊断
    曹帅, 汤海滨, 张尊, 章喆
    2016 (1):  103-112.  doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0017
    摘要 ( 975 )   PDF(7035KB) ( 1051 )  
    离子发动机羽流空间电位分布不合理可能会造成一系列问题,以至于影响航天器的正常工作。试验使用发射探针对20 cm氙离子发动机束流区等离子体空间电位进行诊断,测点选取轴向距离发动机出口平面250~900 mm,径向0~450 mm,探针钨丝直径0.1 mm,加热电流1.5~2.5 A。发射探针诊断建立在电子热发射基础上,因其I-V曲线拐点较朗缪尔探针更为明显,所以测量得到的空间电位分布更为准确。国外已经广泛使用发射探针测量等离子体空间电位,发射探针的试验数据处理方法仍存在较大分歧。从发射探针工作时的物理过程着手,分析热电子发射多少对空间电位诊断结果的影响,采用不同的探针I-V曲线处理方法并对各种方法利弊进行讨论,分析偏离真实空间电位的原因,比较得到较为合理的结果,对发射探针的结构改造和加热电流的选取提供依据,为发动机性能的改善和羽流仿真模型提供参考。
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    电推进系统Xe物理特性计算方法
    陈涛, 刘国西, 宋飞, 武葱茏
    2016 (1):  113-119.  doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0018
    摘要 ( 853 )   PDF(3824KB) ( 984 )  
    空间电推进系统的工质为Xe,其工作温度范围为-30~45 ℃,该范围覆盖Xe的临界点。在临界点附近,Xe可能呈现出多种形态,且对温度和压力变化十分敏感,采用传统状态方程在上述范围内计算其物理参数偏差最大可达30%。为解决这一问题,以CH4作为参考流体,建立了一种基于对比态原理的Xe物理特性计算方法。该方法能够对包括气相、液相、超临界区域的所有状态Xe物理性质进行准确计算。试验研究与国外数据对比的结果表明,在整个压力-温度范围内,计算误差小于0.5%。
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