中国空间科学技术

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场发射电推力器的参数选择与调控方法

刘子健, 沈岩, 耿金越, 刘旭辉, 秦宇

2020 (4): 1-10. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0039

摘要 ( 716 )

PDF(5166KB) ( 650 )

场发射电推力器具有几种不同的发射模式，分别产生荷质比不同的带电液滴或带电离子，使得不同模式下推力性能差别显著。针对不同的空间应用，需要设计不同种类的场发射电推力器，使其达到相应的推力参数。为此对场发射电推力器的发射过程展开分析，确定了推力参数的调控方法。首先对场发射电推力器的基本工作原理进行了阐述，并对不同发射模式的基础物理机制进行了分析。在此基础上通过理论计算得出采用不同推进剂可达到不同发射模式这一结论，并最终得出推力器性能参数的调控方法，论证了推力性能受到推进剂种类和发射模式的影响，在离子发射模式下处于高比冲、低推力工况，而液滴发射模式下处于低比冲、高推力工况。此外推力参数还受到供给流量、外加电压等多种因素的影响。在得到推力器参数的调控方法后，设计了一种主动供给型离子液体电推力器，以离子液体EMIBF4作为推进剂，进行了相应的试验研究。通过改变外加电压，实现了对推力器推力性能的调控，证实了此调控方法的可行性。推力器达到的推力范围为1.6~10μN，比冲范围为154~978s。

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脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究

杨三祥, 刘超, 王尚民, 冯杰, 陈娟娟, 吴辰宸, 贾艳辉, 郭宁, 耿海

2020 (4): 11-21. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0040

摘要 ( 624 )

PDF(12440KB) ( 374 )

为了对脉冲等离子体电磁加速机理有清晰的认识，为后续推力器性能的优化和产品的小型化提供理论基础,需要对脉冲等离子体推力器的特性进行数值研究。利用包含电容、电感、平行板电极、等离子体的一维集成电路模型,开展了脉冲等离子体推力器的数值模拟研究。通过改变初始放电电压和电极间距的大小，系统地研究了脉冲等离子体推力器的初始放电电压、电极间距对推力器电磁加速的影响。结果表明，在其他参数不变的情况下，推力器的推力、比冲、元冲量，以及等离子体的密度、温度随推力器初始放电电压的增加而增加；同样，增加电极间距也能够提高推力器的推力、比冲；然而，电极间的阻抗会随电极间距的增加而增加，导致推力器的点火难度也随之增加，因此脉冲等离子体的电极间距存在一个最优值。

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高比冲霍尔推力器启动特性研究

陈杰, 康小录, 赵震, 程佳兵, 梁伟

2020 (4): 22-28. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0041

摘要 ( 740 )

PDF(4663KB) ( 487 )

高比冲霍尔推力器从霍尔推力器研制初期就得到重视，但是与工程应用相关的参数对比、电流变化和振荡特性特的研究较少。通过测量推力器在不同工况下推力大小、电流变化和电流振荡波形，给出了HET80HP高比冲霍尔推力器的性能特点和启动特性。研究结果表明,HET80HP高比冲霍尔推力器相对于传统霍尔推力器，在较大流量和较高放电电压工况下具有更好的性能。冷启动时，正常磁场情况下放电电流存在电流尖峰，并且需要较长的时间才能达到相对稳定。不同磁场位形热启动情况下电流的变化过程表明，电流尖峰是否存在主要与磁场位形有关，启动时温度的高低与电流尖峰是否存在没有明显关系。此外，通过对比不同磁场下推力器比冲和平均频率的变化可知，推力器低频振荡平均频率的高低能够较好地反映推力器比冲的大小。

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温度对磁屏蔽霍尔推力器磁场构型的影响研究

赵震, 程佳兵, 康小录

2020 (4): 29-37. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0042

摘要 ( 532 )

PDF(6885KB) ( 312 )

霍尔推力器磁路设计主要通过常温静态磁场仿真得到，并实测推力器非工作状态常温磁场进行复核。大功率霍尔推力器将面临更为严峻的热问题，推力器工作时磁路系统受高温影响，因此在常温下仿真得到的磁场位形会因温度升高而产生偏移，不能反映推力器真实工作时的磁场情况。为研究霍尔推力器工作时热量对磁路系统的影响，通过热磁耦合仿真对10kW磁屏蔽霍尔推力器的热态磁场分布进行研究，并对热态、常温仿真结果进行了对比，发现在阳极附近的径向磁感应强度Br的差异比放电室出口更大。常温设计的磁屏蔽构型在热态时偏离磁屏蔽，磁场和壁面最大不符合度达到13%，通过陶瓷出口型面修正后重新获得磁屏蔽效果，使最大不符合度降低到4.8%以下。合理热设计有助于降低热载荷，热仿真得到磁路系统最高温度低于500℃，低于0.78倍的居里温度Tc磁性急剧转变点，不会出现磁性能急剧下降，但热量对磁屏蔽霍尔推力器磁场构型的影响是应该考虑的。

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螺旋波电推进羽流电磁矢量控制的原理性验证

丁亮, 郑慧奇, 彭毓川, 任琼英, 赵华

2020 (4): 38-43. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0043

摘要 ( 707 )

PDF(10374KB) ( 263 )

推进器羽流的电磁矢量控制是基于电磁位形的改变使得喷射的羽流改变方向。为了原理性验证电推进羽流电磁矢量控制技术，针对螺旋波电推进器，开展了磁场位形调制仿真设计和试验验证。说明了电磁矢量调制线圈能够改变磁场位型，并且在试验过程中验证了等离子体羽流随磁场位型变化而产生的羽流方向偏转。在周期性磁场调制过程中，验证了等离子体密度参数随之周期性涨落。螺旋波电推进羽流方向最大偏转角度60°，可控偏转频率15Hz，说明了电推进羽流电磁矢量控制的可行性。

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组合体航天器智能协同姿态控制研究

吴佳奇, 康国华, 华寅淼, 张晗, 张琪

2020 (4): 44-53. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0044

摘要 ( 579 )

PDF(5252KB) ( 479 )

组合体航天器在姿态机动过程中的各单体卫星承受的控制力是不均匀的，局部控制力过大将会导致组合链接断裂而失效。应用多体动力学理论建立了组合体航天器间的相互作用模型，对内力、内力矩与整星姿态、控制力矩之间的关系进行了分析；仿真了极端情况下的内力矩分布，其大小可能超过常用对接机构的力矩承受范围；采用粒子群算(PSO)法对控制合力矩进行优化分配，通过预设初值和继承初值来加快PSO算法的收敛速度，实时调整各星控制力矩分配比例，减小星间相互作用力，实现组合体航天器的智能协同控制，保证组合体航天器的连接铰不因受力过大而损坏。算法仿真和Adams软件验证分析表明，本文建立的相互作用模型可准确计算出星间相互作用力，提出的智能协同姿控算法可显著降低姿控过程中的星间内力，确保组合体航天器的安全。

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基于差分进化算法的再入可达域快速计算#br#

蔺君, 何英姿, 黄盘兴

2020 (4): 54-60. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0045

摘要 ( 470 )

PDF(2543KB) ( 236 )

针对高升阻比高超飞行器再入可达域计算问题，提出了基于差分进化算法和倾侧角插值相结合的混合求解方案。通过设计罚函数和适应度函数极值化将再入过程等式约束和不等式约束添加到优化指标。为了减小参数化倾侧角剖面的搜索空间，利用带约束的差分进化算法求解满足再入过程约束和终端约束的再入轨迹。在分别得到最大横向航程和最大纵向航程的倾侧角剖面后，利用插值法快速生成倾侧角指令集，进而实现再入可达域的快速计算。以高升阻比飞行器CAVH为对象，设计仿真算例，结果表明，该混合优化求解方案易于实现且具有良好的可操作性。

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多传感器组合导航系统的改进多尺度滤波算法

林雪原, 孙玉梅, 董云云, 乔玉新, 陈祥光

2020 (4): 61-68. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0046

摘要 ( 469 )

PDF(3643KB) ( 322 )

多尺度滤波算法在多传感器组合导航系统中已得到成功应用，然而该算法用到多个时刻的量测向量，导致算法计算量过大，并影响系统的实时性。针对上述问题，首先利用分块技术与小波变换将时域内描述的系统原始状态方程转换为块状态方程，然后将实时得到的当前时刻的量测向量表达为块状态向量的形式，最后结合常规卡尔曼滤波技术与序贯滤波的思想，提出了一种改进的多传感器组合导航系统多尺度滤波方法。将该算法应用于GPS/SST/SINS多传感器组合导航系统，仿真结果验证了该算法不仅具有较好的实时性，而且相对于传统算法,系统的定位精度提高1倍以上。

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连续小推力条件下星座轨道机动方法研究

杨盛庆, 王禹, 王丹娜, 林荣峰, 杜耀珂, 钟超

2020 (4): 69-77. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0047

摘要 ( 691 )

PDF(4819KB) ( 633 )

基于连续小推力条件下星座轨道机动的动力学特性分析，研究了其入轨的布局置入和离轨机动方法。地球轨道上的大型星座数量巨大，传统的轨迹优化方法较难应用。针对多星入轨的星座布局置入任务，求解了分时序抬轨的相位调整问题，并在轨道抬升过程中，利用轨道倾角偏置补偿升交点赤经漂移。针对星座中卫星的离轨任务，设计了半长轴和偏心率的联合调整方法。在保证卫星快速离轨的同时，能够有效减少燃料的消耗。考虑到连续小推力机动的弧段效应，控制策略需要围绕控制效应的曲线积分进行优化。

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基于BP神经网络技术的电离层VTEC融合

郭承军, 庞国强

2020 (4): 78-83. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0048

摘要 ( 515 )

PDF(3366KB) ( 267 )

随着电离层探测技术的不断发展，电离层观测资料也越来越多，只使用单一的观测资料会出现电离层反演精度不高的问题。为了提高电离层的反演精度，使用BP神经网络技术将地基反演和国际参考电离层(international reference ionosphere，IRI)模型的垂直总电子含量（vertical total electron content，VTEC）数据进行有效融合。在温带地区\[35°(N)~45°(N)，60°(E)~80°(E)\]进行电离层反演试验，结果表明基于BP神经网络技术的电离层数据融合和地基反演获得的电离层VTEC精度都比较高，但是基于BP神经网络的电离层数据融合反演精度比地基反演更高，所以基于BP神经网络技术的数据融合能够提高电离层的反演精度。

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卫星通信全代理同态可信传输机制研究

丁毅, 沈薇, 李洁, 程子敬, 靳军, 孙伽宁

2020 (4): 84-96. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0049

摘要 ( 772 )

PDF(6604KB) ( 398 )

卫星通信及应用已经成为当前社会生活的重要组成部分。为了解决卫星通信数据安全传输、信息隐私保护、接收端信息依赖等问题，基于低轨卫星气象数据传输的典型应用场景，提出了一套全代理同态加密传输模型（FPRM），并依据卫星通信系统架构将其实例化，从而设计卫星通信全代理同态可信传输系统与运行机制。该机制增加系统的通信安全和隐私保护，实现密文的可计算和传输全代理，有效融合卫星、商业数据中心以及互联网资源，降低运行成本，提高资源利用率，具有重要的实际意义和应用价值。最后，通过试验证明该模型的性能和数据扩展性具有可行性。

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基于策略的遥感卫星管控方法研究

许宇栋, 郝继刚, 刘伯阳

2020 (4): 97-106. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0050

摘要 ( 571 )

PDF(5263KB) ( 295 )

针对遥感卫星管理控制中业务应用与底层调度紧耦合导致的操作复杂、人工干预多等问题，提出一种基于策略的遥感卫星管控方法。在搭建策略管控模型的基础上，采用分层控制闭环结构，构建卫星控制闭环；提出卫星集群分域管理方法，并设置策略部署机制；详细论述了基于策略的遥感卫星管控实现方法；以海上失联舰船搜救任务为典型案例进行仿真，验证该方法可以完成异构卫星集群基于事件驱动的闭环控制。基于策略的管理方法能够有效降低遥感卫星管控业务的复杂度，实现遥感卫星集群的自动控制。

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一种IGSO卫星轨道维持时的偏航角调整策略

崔振, 季业, 刘伟杰, 王春元, 冯佳佳

2020 (4): 107-112. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0051

摘要 ( 517 )

PDF(2318KB) ( 246 )

针对倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星的轨道维持问题，提出了在轨卫星在各种不同工况及约束下的偏航角调整策略。其目的在于减小偏航角的调整范围以及缩短偏航角调整时间，减小轨道维持过程对卫星业务连续性的影响。分析了偏航角的运动规律，以及升交点赤经对偏航角的影响。在此基础上，根据轨道维持时升交点赤经的不同、太阳高度角范围、轨道控制的时间约束、交叉点位置约束等不同情况，分别给出了卫星轨道维持时偏航角的调整方法及推力器选择方案。对于交叉点位置在中国境内的卫星，可以使偏航角调整范围不超过45°。此方法可应用于在轨卫星轨道维持管理的实践中。

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