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：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：针对小天体探测任务对离子推力器设计要求,完成总体方案设计,开展了四极环形磁钢会切场放电室和凸面三栅变孔径栅极设计,采用试验研究和理论分析的方法研究了放电室、栅极设计的合理性及匹配性,试验结果表明:多模式离子推力器实现了宽范围稳定放电和引出,在277—3120 W功率下,推力从9.9 mN线性增加到117.2 mN,比冲从1269s台阶上升到3492 s,束流发散角从30.7°下降到26.8°并趋于稳定,各工作点矢量偏角小于1.5°,束流平直度大于0.75,栅极稳定化处理是控制栅间距一致性的重要方法,采用应力释放钼安装环热设计后栅极间距极差得到有效控制,最大下降百分比为90%,本研究为离子推力器多模式化设计及在轨应用工程研制提供参考.

摘要：针对我国木星探测、小行星采样返回等深空探测任务对大功率电推进系统的应用需求,开展了大功率离子推力器研究。通过采用四极环形磁钢会切场放电室、束流直径为40 cm的三栅极离子光学系统、石墨顶触持极六硼化镧空心阴极、耐高温磁钢等先进技术和材料完成了大功率40 cm离子推力器原理样机的研制。试验测试了40cm离子推力器原理样机放电损耗、工质利用率、加速栅电流、减速栅电流等工作参数和束流平直度、推力、比冲、效率等性能指标,试验结果显示:该样机在6.94 kW功率下,推力232 mN,比冲4 367 s,效率71%,束流平直度0.72。

摘要：电推力器工作时,氙气供气管路上必须设置气路电绝缘器抑制因低气压放电引起的击穿,以确保电推力器正常工作,并避免卫星结构带电。通过气路电绝缘器工况分析,在帕邢放电原理基础上,对提出的几种气路电绝缘器结构方案开展了对比分析。考虑空间应用环境、高可靠和小型轻质化要求,并结合工作电压等条件,重点对多级电压分割绝缘结构进行了设计分析。对不同级数的气路电绝缘器结构样件进行了试验验证。结果表明该设计结构能够满足当前电推力器气路电绝缘要求。该研究成果可推广应用于更高工作电压和更大气体流率的气路电绝缘器结构设计。

摘要：为了使多模式离子推力器在宽功率范围内性能和可靠性最优,基于30cm多模式离子推力器,通过实验开展了阴极和中和器羽状模式转变点流率、放电电压30V对应阴极流率和放电损耗曲线与束电流关系研究。30cm多模式离子推力器束电流从0.3A增加到3.3A时,阴极羽状模式转变点流率值从0.017mg/s增加到0.163mg/s,放电电压30V对应阴极流率从0.129mg/s增加到0.231mg/s,中和器羽状模式转变点流率从0.030mg/s增加到0.191mg/s。随放电室工质利用率的增加,当束电流1.5A时,放电损耗对放电室工质利用率的变化较为迟钝。基于上述流率特性实验结果,完成了30cm多模式离子推力器在0.3~5kW宽功率内35个工作点最佳流率设计和评价。在设计的工作流率下,放电电压均<30V,阴极和中和器均工作在点状模式,实测推力为9.6~185.2mN,比冲为1332~3568s,功率为258~4761W。

摘要：为了实现离子推力器多模式化,分析了离子推力器功率宽范围调节限制因素,提出了两种宽范围调节策略;针对我国小行星探测任务,完成了30cm多模式离子推力器研制、功率宽范围调节限制条件确定、以及两种调节策略下多模式工作点设计及对比研究。结果显示,通过降低放电室磁场强度可延伸离子推力器最小稳定工作功率,提高束流均匀性,实现离子推力器更宽功率范围多工作点设计;功率宽范围调节主要是屏栅电压和束电流的宽范围调节,二者通过栅极导流系数限制和交叉限制而约束;推力随功率增加呈线性增加关系,比冲随功率的增加总体上呈先快速增加后趋于稳定的趋势;30cm多模式离子推力器在0.25kW^5kW内稳定工作,推力10mN^186mN,比冲1522s^3586s。

摘要：为了抑制离子推力器寿命末期由溅射沉积导致的放电室膜层剥落物脱落,首先采用理论研究和试验的方法开展了剥落物抑制放电室的设计,基于零件结构和增材制造特点开展了零件工艺性分析并提出解决方案,实现了放电室增材制造,开展了离子推力器放电室溅射物防脱落性能测试。结果表明:放电室内表面设计纹理化结构排布形式为正六边形,凸起部分外接圆直径0.5 mm,间距0.25 mm,高度0.5 mm时可降低溅射沉积物脱落概率及碎屑尺寸,通过分层旋转扫描,选择激光功率425 W,扫描速度1200 mm/s工艺参数可实现大尺寸薄壁、具有复杂微小特征钛合金回转体制造,通过结构拓扑,镂空点阵结构、工艺参数和空间摆放位置优化,成型零件壁厚一致性偏差小于0.10 mm。放电室优化前后推力器性能稳定,各工作点关键参数相对误差小于4%。本文的研究为离子推力器放电室溅射沉积物脱落抑制方法和复杂结构的激光选区熔化增材制造成型提供了工程应用方案。

摘要：本文针对某质谱计离子源的设计,建立了离子源静电场数学模型,采用有限差分法对其场域进行离散,半迭代切比雪夫松弛法求解各节点的电位,拉格朗日插值法计算空间任意点的电位和电场,四阶龙格-库塔法计算离子运动轨迹。使用Visual C++6.0为平台编程计算程序,结合离子源的具体结构求解了离子源静电透镜整个场域的电位和电场;绘制了等位线和离子运动轨迹。在此基础上,讨论了各电极电压对离子运动轨迹(即对聚焦性能)的影响。

摘要：离子推力器非预期放电直接影响其在轨应用可靠性,为了降低推力器外壳与屏栅间的非预期放电频率且兼顾热设计提出3种优化方案,搭建了方案验证试验系统。研究结果表明:电荷在绝缘层积累是非预期放电的主要诱因,等离子体和气体泄漏是次要诱因,外壳非预期放电频率随功率增大呈上升趋势,0~3kW,放电频率从1.9次/h缓慢上升到3.3次/h,超过3kW,放电频率快速上升到6.9次/h。通过试验验证确定了最佳抑制方案,3kW工况下,该方案非预期放电频率从原方案的3.3次/h下降到0.05次/h,5kW工况下从6.9次/h下降到0.21次/h,且满足推力器热设计要求,240h性能测试中推力器关键性能参数偏差小于3%,推力器非预期放电得到有效抑制。