离子推力器

摘要： 栅极组件是离子推力器束流引出、加速和聚焦的核心部件。推力器工作过程中栅极组件的热形变是影响离子推力器工作性能和寿命的关键因素之一。通过建立栅极组件的结构等效模型,模拟了栅极组件的温度分布,运用有限元软件绘制出同一时刻栅极组件表面不同位置沿着径向坐标热形变位移曲线,分别计算出栅极组件中心点处屏栅-加速栅、加速-减速栅极间距在启动过程中随时间的变化量,用非接触光学测量方法对仿真模型进行了验证。试验结果与仿真结果有很好的一致性,在一定程度反映了栅极组件热态栅间距与冷态栅间距的关系,有助于对栅极溅射腐蚀、栅极形变和非预期性击穿等问题的研究。

摘要： 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;通过试验数据、精确化磨损模型抽样计算数据的样本检验获得准确的寿命概率威布尔分布参数;应用各失效模式对应寿命的三参数威布尔概率分布函数可进行具有工程应用任务针对性的离子推力器寿命及可靠性定量评估。

摘要： 针对我国小行星探测任务对电推进系统离子推力器设计要求,基于等离子体基本理论建立了多模式离子推力器输入参数与输出特性关系,完成各工作点下屏栅电压、束电流、阳极电流、加速电压,流率等输入参数设计,采用试验研究和理论分析的方法研究了推力器工作特性.试验结果表明:在设计输入参数下,23个工作点推力最大误差小于3%,比冲最大误差小于4%,在功率为289—3106 W下,推力为9.7—117.6 mN,比冲为1220—3517 s,效率为23.4%—67.8%,电子返流极限电压随着推力增加单调减小,最小、最大推力下分别为-79.5 V和-137 V,放电损耗随着功率增大从359.7 W/A下降到210 W/A,并在886 W时存在明显拐点,效率随功率增大而上升,在1700 W后增速变缓并趋于稳定,在轨应用可综合推力器性能、任务剖面要求、寿命,合理设计输入参数区间,制定控制策略.

摘要： 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。

摘要： 为了提升20 cm离子推力器的抗冲击性能,对现有结构开展了力学分析和试验验证。对栅极组件进行结构等效处理后,采用有限元方法分析了整机的模态和冲击响应谱。分析结果显示,栅极组件结构等效前后的分析结果对比差距8.3%~11.9%;推力器的3个轴向基频分别为246,248,336 Hz,栅极组件和中间极靴是离子推力器的力学薄弱环节并对整体结构稳定性具有重要影响;在冲击载荷1600 g下,栅极组件表面应力主要集中在小孔区边缘处,且形变也主要发生在小孔区;在采取刚度为1000 kN/m的减振措施后,栅极组件的整体形变位移降低了60%~82%。试验结果显示,在10~1200 Hz的低频扫描过程中,推力器3个轴向的基频分别为256,258,348 Hz,与仿真结果基本一致,采用减振措施后的20 cm口径离子推力器通过了1600 g的冲击试验。

摘要： 为了研究离子推力器输入参数对工作性能的影响,采用试验研究和理论分析的方法研究了离子推力器加速电压和阳极流率对离子推力器性能的影响.研究结果表明:一定范围内离子束流随着加速电压绝对值的减小不断减小,然后突然增大,大、小推力模式下的电子返流极限电压分别为–140 V和–115 V,放电电压、放电损耗随阳极流率减小单调增大,减速电流单调减小,通过调节阳极电流、栅间电压、工质气体流量,功率为300—4850 W下,推力为11—188 m N,比冲为1800—3567 s,效率为34%—67%,在3000 W时推力器最高效率达到67%,该转折点对推力器设计和应用有关键意义,应用要结合在轨任务剖面选择合理的工作参数区间.

摘要： 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。

摘要： 在充分调研国内外成熟度较高的离子推力器产品地面寿命试验的基础上,总结了关键失效磨损试验、工程型号寿命试验、产品极限寿命试验和综合评价寿命试验等四类离子推力器寿命试验的目的、方法、结果及应用。通过不同寿命试验方法之间、试验验证寿命与工程应用寿命之间、不同失效模式及其试验验证方法之间的对比分析,总结了各类寿命试验的成功经验和失败教训。结合现有寿命试验中存在的问题以及未来航天任务对寿命试验的新需求,展望了离子推力器寿命试验方法与技术的发展方向和突破点。

摘要： 针对延长离子推力器栅极极限寿命的恒定加速电压和步进调节加速电压两种优化方法的工程应用需求,结合现有LIPS-200离子推力器产品技术参数,基于电子反流极限的Williams解析表达并应用QMU工程方法,定量计算了LIPS-200离子推力器电子反流极限的不确定度。计算结果表明:不确定度主要影响因素包括束流电子温度、加速栅孔初始直径、加速栅孔内聚焦束流的分布直径及电流大小、加速栅厚度、栅间距和束流电势的不确定度等。目前离子推力器电子反流极限不确定度最大为17.6 V、常规为7.4 V;通过采取降低主要影响参数不确定度的控制措施,电子反流极限不确定度可减小到最大为13.0 V、常规为5.1 V;若电子反流极限不确定度从15 V降低到10 V,离子推力器的优化极限寿命可延长570~885 h。

摘要： 离子推力器主要有两种构型的曲面栅极:凸面和凹面。为了研究曲面栅极朝向对离子推力器工作特性的影响,采用兰州空间技术物理研究所自研的LIPS-100离子推力器,开展了20 mN推力工况下两种构型栅极的放电损耗、束流密度分布和低温启动等工作特性对比试验。结果表明:与凸面栅极相比,凹面栅极的放电特征尺寸小、热态栅间距大;采用凹面栅极的推力器可在-90°C极限温度环境下10 s内满功率启动,但放电损耗增加了5.3%;同时,凹面栅极引出的离子更为聚焦,束流发散角减小了18.6%,引出束流平直度下降了19.6%。研究结果可为国内离子推力器研制中栅极构型的选择和优化提供依据。

摘要： 为了揭示交换电荷离子的运动情况,本文建立了二维轴对称羽流模型,采用混合PIC-MCC方法对UK-10离子推力器羽流进行了数值模拟,并将计算结果与实验测量结果进行了对比分析,结果表明:束流区内离子数密度高出返流区接近3个量级,羽流区径向电势差明显高于轴向;部分交换电荷离子(CEX)会在径向电场的加速作用下朝推力器前方运动形成返流,会对航天器表面造成污染;背压对束流区以外CEX离子速度和数密度影响较大,在数值模拟中不能忽略背压的影响.

摘要： 为了提高卫星寿命,节约卫星发射成本,高比冲一直是电推进技术发展的重点.利用双级加速技术提高离子推力器的比冲是一个有效的方法.本文首先介绍了双级加速技术概念和原理,然后对双级加速推力器的现状进行了介绍.希望为我国的高比冲推力器研究提供有益参考.提高离子电推力器的比冲和寿命是空间推进领域具有挑战性和重要性的一项前沿课题。双级加速技术具有比冲高、束流发散角小、寿命长的优点，且在相同技术指标下，栅极面积远小于单级加速离子推力器，适合小型化。因此该加速技术对空间任务极具吸引力，有必要开展研究。

摘要： 栅极是离子推力器的关键零件,由栅极及其陶瓷绝缘器组成的栅极组件担负着引出并加速离子的重要功能,其性能直接影响到推力器乃至整个航天任务.针对大口径离子推力器栅间距受热变化较大的问题进行调研,并对栅极组件安装技术研究.栅极组件的安装结构分为固定和柔性安装结构.柔性安装结构的原理是通过一个弹性或滑动机构来释放栅极的热形变,保证栅极组件栅间距的稳定.本文介绍了栅极组件的各种安装形式,以及实验验证情况.通过对国外栅极组件安装形式的分析对比,提出了大口径栅极组件的研制建议.

摘要： LIPS-100推力器为Kaufman型离子推力器,束流口径10 cm,推力能在0.5～15.8 mN范围内连续调节.该推力器应用电磁场使得推力器参数在较宽范围内进行有效和精确调节.与0.5～15.8 mN推力调节范围内相对应,LIPS-100离子推力器的比冲范围为500～3100 s,功率范围为50～440W.该推力器应用于诸如重力梯度测量卫星等无拖曳飞行航天器的阻尼补偿任务.针对无拖曳控制应用的LIPS-100原理样机的研制已经完成,性能指标满足设计要求.LIPS-100离子推力器的研制将进入工程样机(LIPS-100E)研制工作.本文介绍了LIPS-100离子推力器的设计、制造、试验等研制状态.

摘要： 离子推力器是一种先进的空间推进系统，具有高比冲、高效率、长寿命等特点，主要用来执行航天器位置保持、轨道转移、阻力补偿、姿态控制及深空探测等任务.本文在研究离子推力器关键部组件—加速栅和空心阴极失效机理的基础上,计算得到了部组件寿命和可靠性信息;结合整机验证试验信息,采用CMSR方法开展系统可靠性评估,从而得到离子推力器系统的寿命与可靠性信息.rn 综上所述，本文在研究离子推力器组成、工作原理的基础上，分析了加速栅和阴极的失效机理，提出了相应的寿命模型和可靠性评估模型，计算了两个关键部组件的点估计和可靠度下限;在结合整机验证试验信息的基础上，转换成等效指数型数据，并利用CMSR方法得到了离了推力器系统的可靠度点估计和下限，从而为后续电推进系统工作可靠性评估方法的工程应用提供理论支撑。

摘要： 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.本文通过国外深空探测技术对离子推力器的技术需求,以及应用情况的介绍,针对我国小行星探测离子推进技术应用的分析与研究.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40mN和60mN两种工作模式,通过组合应用,可实现40mN、60mN、80mN、1OOmN和120mN五种推力模式,以满足小行星探测的需求.

摘要： 电推力器的可靠性技术是一项新的研究课题,利用通用和成熟的方法无法准确评价和验证电推力器的可靠性.本文针对离子推力器工作特点,主要介绍了开展离子推力器可靠性评价、验证、可靠性增长等方面发展的总体思路。

摘要： 在电推进领域,羽流污染效应成为制约离子推力器应用于航天器的关键因素.本文针对应用石英微量天平监测离子推力器羽流污染效应进行可行性研究,为我国未来要开展的离子推力器羽流污染监测试验提供技术支持.首先综述了离子推力器羽流污染效应的特性,然后介绍了石英微量天平的理论基础,推导了晶片质量与共振频率的关系式和质量变化与频移的关系式,最后经过可行性分析,得出石英微量天平可以用来实时监测离子推力器羽流污染效应.

摘要： 相比Kaufmann离子推力器,ECR(Electron Cyclotron Resonance)离子推力器无内电极放电、无污染、放电气压低、等离子体密度高、能量转换效率高、中和器和放电室能快速起弧.ECR离子推力器由于具有独特的技术优势而使其在微小功率电推进领域受到国内外的广泛研究.本文根据电推进技术向微小功率方向发展的趋势,概括了小功率ECR目前研究现状,对我国发展小功率ECR微波离子推力器提出了建议.

摘要： 目前使用电推进系统的航天器数量己经达到200颗以上。同步轨道通信卫星是否配置了位保电推进系统，己经成为衡量其技术先进性的重要判据之一。E×B探针在电推进研究中主要用于测量羽流中双荷离子与单荷离子电流密度比例。

摘要： 本发明公开了一种磁等离子体推力器的阳极结构及磁等离子体推力器，由于直筒‑扩张型永磁体与阳极喷管内壁平行，且直筒‑扩张型永磁体内部的磁场与电磁线圈产生的磁场方向相反，这样，由于永磁铁材料本身的导磁特性，直筒‑扩张型永磁体的磁场和电磁线圈的磁场相互作用后，不仅可以将阳极附近的磁场线调整到与阳极的轴线平行，平行于阳极轴线的磁场能有效约束阳极附近的电子，减少高能电子对阳极的轰击，还能在一定程度上降低阳极喷管内壁附近的磁场强度，从而降低阳极附近的霍尔效应，降低阳极的功率沉降；并且，直筒‑扩张型永磁体外部的磁场与阳极出口处电磁线圈的磁场方向相同，可以在降低阳极功率沉降的同时不影响磁等离子体推力器的性能。

摘要： 可提高推力分辨率和工质利用率的会切场等离子体推力器，属于会切场等离子体推力器设计领域。解决了现有会切场推力器在实现其无拖曳应用中推力分辨率不足、在低功率工况下电离不足、工质利用率过低的问题。本发明的会切场等离子体推力器整体为轴对称结构，包括主阳极、第一垫片、空心盖板、外壳、第一级永磁体、第二垫片、第二级永磁体、壁面阳极和陶瓷通道。本发明通过调节陶瓷通道内部的环形壁面阳极电位实时调控通道内部电子的运动行为，从而微调电离过程和输出性能参数，达到提高推力器输出推力分辨率的目的，同时可促进电子径向迁移，进而增加电子与壁面附近的原子的碰撞概率，实现电离区的径向扩展，达到提高推力器工质利用率的目的。

摘要： 本发明公开了一种磁等离子体推力器的阳极结构及磁等离子体推力器，由于直筒‑扩张型永磁体与阳极喷管内壁平行，且直筒‑扩张型永磁体内部的磁场与电磁线圈产生的磁场方向相反，这样，由于永磁铁材料本身的导磁特性，直筒‑扩张型永磁体的磁场和电磁线圈的磁场相互作用后，不仅可以将阳极附近的磁场线调整到与阳极的轴线平行，平行于阳极轴线的磁场能有效约束阳极附近的电子，减少高能电子对阳极的轰击，还能在一定程度上降低阳极喷管内壁附近的磁场强度，从而降低阳极附近的霍尔效应，降低阳极的功率沉降；并且，直筒‑扩张型永磁体外部的磁场与阳极出口处电磁线圈的磁场方向相同，可以在降低阳极功率沉降的同时不影响磁等离子体推力器的性能。

摘要： 一种阳极‑冷气推力器结合供气会切磁场等离子体推力器，属于航天技术和低温等离子体领域，本发明为解决解决现有会切磁场推力器难以有效产生小于100微牛推力问题。本发明包括放电通道、导磁环、第一永磁体、阳极、导磁环导热片、第二永磁体和外壳，放电通道的底部设置有阳极，放电通道的外侧壁与外壳之间、从底部至放电出口依次设置两块永磁体，两块永磁体之间设置有导磁环和导磁环导热片，两块永磁体与放电通道的外侧壁之间留有气隙；还包括冷气推力器；阳极为中空结构，冷气推力器设置在阳极的内腔，冷气推力器可以单独工作，用于产生微牛级推力；放电通道为变截面通道，通道半径从放电出口向底部逐渐缩小，放电通道侧壁的纵截面为直角梯形。

摘要： 本发明属于航天器推进技术领域，具体公开了一种基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法及卫星应用，推力调节方法包括步骤：确定最大推力下的最大阳极流率；形成多个不同量值的阳极流率；在每个阳极流率下根据预设的第二递减策略逐渐降低阳极电流，以及在每个阳极电流下根据预设的第三递减策略逐渐降低磁场强度，输出推力器对应的推力；在每个阳极流率及阳极电流下推力器的输出推力最大时，对总加速电压进行测控。本发明实现推力的宽范围、高精度、快速连续调节，实现推力器电气参数调节过程中推力的全覆盖，确保推力不存在断档，实现推力调节的高分辨率，并通过控制总加速电压的下限值，确保推力器在推力调节过程中不存在推力的异常变化。

摘要： 本发明提出了一种会切场低推力射频离子推力器，属于航天器推进技术领域，特别是涉及一种会切场低推力射频离子推力器。解决了现有射频离子推力器推力下限较高的问题。它包括射频天线、工质输送通道、电离室、铁氧体、永磁铁、直流电源、射频电源和栅极装置，所述电离室为圆柱形放电腔体，所述工质输送通道与电离室相连，中性气体通过工质输送通道进入电离室，所述射频电源设置于电离室的外部，所述射频天线设置在电离室的顶部，并与铁氧体配合相连，所述射频天线的两端分别连接射频电源的两极，所述永磁铁环绕电离室布置，为多级结构且极性相对，所述栅极装置分别与直流电源的正极和负极相连。它主要用于射频离子推力器。

摘要： 本发明涉及一种用于航天器的推力矢量推进的离子推力器(1)，包括：用于推进剂(3)的储存器(2)；发射器(4)，其具有基座(7)和在所述基座(7)的一侧(71)上具有至少一个出口(8)，所述至少一个出口用于发射所述推进剂(3)的离子(3+)，其中所述基座(7)连接到所述储存器(2)，以提供推进剂(3)的从储存器(2)到所述至少一个出口(8)的流动；以及提取器(5)，其面向所述发射器(4)的所述一侧(71)，用于提取和加速来自所述发射器(4)的所述离子(3+)；其中所述提取器(5)分成围绕轴线(T)的多个扇区(5i)，所述轴线(T)正交地穿过所述发射器(4)的所述一侧(71)，其中所述多个扇区(5i)彼此电绝缘。

摘要： 本发明公开了一种微牛级推力ECR离子推力器栅极组件，由栅孔正六边形环状均布的屏栅和加速栅组成。特定开孔位置的双栅极组件，在保证离子源大推力工况下离子正常引出的同时可以进一步降低推力下限，进而有效的实现了推力范围的精准调控。同时，该栅孔分布方式可以有效减小离子源放电室腔体内工质气体泄漏，进而改善其放电性能。与ECR推力器配合使用，解决了现有技术中ECR推力器推力过高的问题，可以将推力控制在1‑100μN之间，以满足空间引力波探测中无拖曳控制的推力需求。

摘要： 本发明提出无磁路微波同轴谐振离子推力器及推力形成方法。所述离子推力器包括绝缘底板、屏蔽外壳、谐振腔体、屛栅、加速栅、微波馈入接头、谐振腔室、放电室和微波接线开口。本发明所述的微波同轴谐振离子推力器，是通过同轴谐振器，利用馈入的微波在谐振腔的一端形成强驻波电场，从而电离工质形成等离子体，进而用栅极引出形成推力。

摘要： 本发明属于航天器推进技术领域，具体公开了一种基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法及卫星应用，推力调节方法包括步骤：确定最大推力下的最大阳极流率；形成多个不同量值的阳极流率；在每个阳极流率下根据预设的第二递减策略逐渐降低阳极电流，以及在每个阳极电流下根据预设的第三递减策略逐渐降低磁场强度，输出推力器对应的推力；在每个阳极流率及阳极电流下推力器的输出推力最大时，对总加速电压进行测控。本发明实现推力的宽范围、高精度、快速连续调节，实现推力器电气参数调节过程中推力的全覆盖，确保推力不存在断档，实现推力调节的高分辨率，并通过控制总加速电压的下限值，确保推力器在推力调节过程中不存在推力的异常变化。