《空间电推进综合测试技术及应用》

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空间电推进是一种先进推进技术,应用后可大幅缩减航天器携带推进剂质量、提升航天器有效载荷比和延长寿命,被国际宇航界公认为十大尖端技术之一。电推进在空间高真空环境下工作会形成基于等离子体和电磁辐射的复杂耦合环境,如何在地面有限空间条件下系统准确测试评价电推进产品性能水平,评价与航天器的兼容性,保证测试结果的天地一致性,是测试计量领域公认的技术难题。在国家重大项目支持下,研制成功大型系列电推进综合测试与评价系统,突破了高真空、等离子体等复杂环境下电推进在线动态测试与评价难题。项目主要创新点如下:

提出了基于特征频率和位移复合特性的激光微推力测量方法、多种探针组合实现电推力器束流参数高精度诊断方法、高真空条件下光学三维成像栅极腐蚀在线高精度检测方法,解决了电推力器真空点火状态下推力、推力偏心角、束流发散角、栅极腐蚀速率等测量难题,推力测量精度1mN,栅极腐蚀测量精度5μm,为电推进的优化设计、性能评价和工程应用提供了可靠数据。提出了基于温度和压力闭环控制的热节流器气体流量测量、控制和定容差压校准方法,建立了卫星上流量控制单元工作参数与高纯氙气工质流量之间的精确对应关系,确保了高纯氙气的高效利用和电推进关键性能比冲的精确控制与测量,流量校准不确定度优于1.5%。提出了基于透波副舱的推力器电磁辐射发射测量方法、基于石英晶体微量天平的羽流污染测量方法,解决了电推进真空点火状态下电磁发射特性准确测试、羽流污染程度的高精度动态测量难题,为卫星总体应用电推进方案提供了直接测试数据。提出了真空舱壁面高能等离子体防护方法及高效快速氙气抽除方法,研制的大口径1250mm的低温泵对氙气的抽速可达28000L/s,解决了电推力器工作期间高能离子束流作用下的溅射沉积防护和清洁高真空长期动态维持等技术难题。在该基础上开展了集真空、电气、控制、诊断等一体化的集成设计,成功研制了大型系列电推进地面综合测试与评价系统,保证了电推进性能测试评价结果的天地一致性。

项目成果已成功应用于实践九号、东方红3B、实践十三号、亚太6D、东方红5号、全电推进、实践十七号、新技术试验验证四号、翱翔三号、光谱01星、多媒体宽带卫星、潇湘三号、天宫天和一号等众多航天器所需电推进产品的研制和性能测试评价,使中国航天步入了电推进时代,相关技术也已推广应用于空间环境模拟等真空装备中。后续还将应用于重力梯度测量、引力波测量、皮纳卫星、载人深空探测、大型航天器作战平台、空间太阳能电站等所需电推进产品的开发,为中国航天技术的不断进步提供重要技术支撑。该项目经济和社会效益显著,近三年来合计新增销售总额140409万元,利润5984.22万元。

项目获授权发明专利51件,制订国标6项,航天标准21项,发表论文83篇,出版专著1部,获省部级一等奖2项。

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