1月14日消息,近日,航天科技集团六院801所研制的我国首款20千瓦大功率霍尔推力器成功完成点火试验,点火时间累计达8小时,点火次数超过30次。该推力器的成功研发,实现了我国霍尔电推力器推力从毫牛级向牛级的跨越。


我国首款20千瓦大功率霍尔推力器完成点火试验


试验过程中,推力器点火可靠,运行平稳,工作参数稳定,实测推力1牛,比冲3068秒,效率大于70%,性能指标达到国际先进水平。


据悉,该推力器在设计中采用了空心阴极中置、磁屏蔽长寿命等新技术;研制中先后攻克大电流空心阴极、轻质小型化加速器、高效热管理、高压大功率稳定放电等关键技术,具有推力大、比冲高、工作寿命长、可靠性高等特点,可为大型GEO(地球静止轨道)卫星、中型/重型全电推平台、深空探测器、地球轨道空间运输平台、太空摆渡车等航天器的轨道机动转移,在轨位保和姿态控制等任务提供高效动力支撑。


我国首款20千瓦大功率霍尔推力器完成点火试验


2015年,航天科技六院801所在80mN霍尔推力器的空心阴极长寿命试验中突破18000小时,累计点火15000次,远超7500小时、累计点火8000次的典型任务指标要求。该所的成果使我国成为继俄、美、欧之后第四个掌握霍尔电推进技术的国家。


2016年,航天科技五院502所研制的磁聚焦霍尔电推进系统,在“实践十七号”卫星上完成了全部在轨飞行验证工作,这是世界上第一套完成在轨飞行验证的磁聚焦霍尔电推进系统。我国在轨验证的电推进系统为第二代磁聚焦霍尔推进技术,其推力密度高、结构简单、可靠度高。经在轨性能标定、单次8小时连续点火、20次开关机试验、50小时在轨点火等工况考核,该产品比冲较国际上同功率霍尔电推力器高出近20%,性能指标达到该类推力器的最高水平,标志着我国具备自主研制第二代更高性能霍尔电推进系统的能力。


我国首款20千瓦大功率霍尔推力器完成点火试验

霍尔推力器主要由霍尔加速器和空心阴极两部分组成,空心阴极承担着点火和羽流中和的重任,被誉为电推力器的“心脏”,是决定电推力器、电推进系统性能和可靠性的关键组件。该所的成果使我国成为继俄、美、欧之后第四个掌握霍尔电推进技术的国家。该技术及装置将应用在静止轨道卫星、低轨卫星、深空探测器和大型载人航天器上,大幅提升航天器承载能力、寿命和综合性能,为我国电推进系统进入全面应用的新时代奠定坚实基础。


现在人类对探索对太空旅行的兴趣越发浓厚。然而,几乎任何超越月球的任务,无论是载人的还是无人的,都将要求航天器至少在数年内保持安全运行。霍尔推力器是一种推进系统,经常用于参与长期任务的飞船。俄罗斯莫斯科物理与技术研究所的安德烈•沙什科夫及其同事一项新研究表明,这些系统的运行寿命可以进一步延长,其研究成果发表在《欧洲物理期刊D》上。在真空中运行的航天器速度或方向可以通过离子驱动来改变。


离子驱动通过加速阳离子来产生推力。霍尔推力器是一种离子驱动装置,其加速度由电场提供,而不是化学燃料,建议仅用于3-5年以上的空间任务。目前这些通常涉及卫星。当这些推进器停止工作时,通常是由于推进剂引起的表面腐蚀;表面侵蚀模式取决于霍尔推力器通道中离子形成并加速的位置:电离和加速区域(IARs)。利用计算机模型研究了气体流速和磁场大小的变化如何影响这些区域位置。然后,在一个真空实验室规模的霍尔推力器上测量了这些参数,从而验证了该研究发现。


重要的是,发现将电离和加速区域保持在相同最佳位置是可能的。已知静止电离和加速区域可以延长霍尔推进器的寿命,这表明这些驱动器可以用于航天器执行更长时间的任务:比月球远很多倍。电离和加速区域的位置决定了冲蚀带位置和推进器的最大流量。对于节流阀比较大的霍尔推力器,每一种工作模式下的电离区和加速区位置差异较大,难以提供多模式运行所需的吞吐量。本研究利用数值方法研究了工作模式变化引起的电离区和加速区位置的变化,采用1D3V混合pic数值模拟方法进行了数值研究。


结果表明,随着气体流量的增加和磁场减小,电离区和加速区明显向上游移动。此外,磁场梯度的增大使通道外电离区和加速区位置发生显著变化。对数值模拟结果进行了实验验证。在一台1.5 kW的霍尔实验室推力器上进行了电子探针测量,验证了加速度区域的趋势。实验室内2.3 kW霍尔推力器通道内氙气最大光强的变化验证了电离区位移。此外,实验研究表明,当振荡模式发生变化时,电离区和加速区会发生显著的变化。


文章来源: 博科园,航天科技

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