空间电推进测试与评价技术_李得天张天平张伟文等编著.pdf

序 01 国家出版基金项目“十三五”国家重点出版物出版规划项目 空间科学与技术研究丛书 空间电推进测试与评价技术 李得天 张天平 张伟文 郭 宁 杨生胜 编著 内 容 简 介 电推进是先进的空间推进技术，航天器应用电推进可以大幅节约推进剂使用量，显著提高航天器有效载荷比，是否应用电推进正成为衡量航天器先进性和竞争力的重要标志。对电推进进行系统、准确的测试与评价是应用电推进的前提。根据上述需求，作者在总结国外电推进测试与评价技术的基础上，根据自身实践完成本书撰写，重点介绍了空间电推进测试与评价相关技术。全书分为 9 章，第 1 章介绍了空间电推进基础知识；第 24 章介绍了电推力器性能、寿命的试验与评估技术以及力、热特性分析与测试评价技术；第 5 章介绍了电推力器关键部组件测试与评价技术；第 67 章介绍了电推进羽流特性及其效应测试与评价技术、电推进电磁兼容性试验技术；第 8 章介绍了推进剂流量控制与校准技术；第9 章介绍了电推进试验设备系统。本书偏重于工程技术内容介绍，实用性强，适合从事与电推进技术工作相关的工程技术人员、科研人员使用，亦可供大专院校相关专业的师生阅读。版权专有 侵权必究 图书在版编目（CIP）数据 空间电推进测试与评价技术/李得天等编著.北京：北京理工大学出版社，2018.9（国家出版基金项目、“十三五”国家重点出版物出版规划项目、国之重器出版工程、空间科学与技术研究丛书）ISBN 9787568262835 .空.李.空间定向电推进 .V514 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2018）第 204444 号 出 版 /北京理工大学出版社有限责任公司 社 址 /北京市海淀区中关村南大街 5 号 邮 编 /100081 电 话 /（010）68914775（总编室）（010）82562903（教材售后服务热线）（010）68948351（其他图书服务热线）网 址 /http:/ 经 销 /全国各地新华书店 印 刷 /固安县铭成印刷有限公司 开 本 /710*1000mm 1/16 印 张 /25.75 彩 插 /6 责任编辑 /杜春英 字 数 /458 千字 文案编辑 /杜春英 版 次 /2018 年 9 月第 1 版 2018 年 9 月第 1 次印刷 责任校对 /周瑞红 定 价 /96.00 元 责任印制 /王美丽 图书出现印装质量问题，请拨打售后服务热线，本社负责调换 序 001 序 随着我国载人航天工程、探月工程的顺利实施，期间取得一系列举世瞩目的科技成就，这些成就标志着我国航天技术已经迈上新的台阶，与此同时，中国航天也将面临一个新的起点。推动我国航天技术发展，建设航天强国成为航天人新的历史责任。空间推进技术是决定航天器技术水平的关键技术，电推进是先进的空间推进技术，发展电推进是航天器技术水平提升的最重要途径之一，也是推动我国从航天大国向航天强国迈进必不可少的基础。近年来，我国空间电推进技术发展取得了一系列喜人的成绩，特别是LIPS200 离子电推进系统完成地面寿命考核，表明该系统具备了确保卫星在轨可靠运行 15 年以上的能力；SJ13 卫星已经应用 LIPS200 离子电推进系统执行南北位置保持任务，标志着我国航天器已经进入电推进时代。这些事件都是中国航天发展中具有重要影响的事件。电推进技术涉及的学科专业、技术领域较为广泛，技术复杂，产品研制难度大。发展电推进需要全国相关的大学、研究所、企业共同合作，相互之间进行广泛的学术技术交流。测试与评价技术是电推进技术研究、产品研制过程中的重要工作内容，只有经过充分的测试与评价，才能保证电推进稳定可靠地应用于航天器。在我国空间电推进已经取得重要成绩，且迫切需要大力发展，更上一层楼的发展关头，总结电推进测试与评价技术的成果并编著专业书籍，毫无疑问对推动电推进领域内专家学者相互交流是大有裨益的，对推动电推进在中国航天器上尽早广泛应用大有好处。兰州空间技术物理研究所是我国最早从事电推进技术研究的单位，其技术积淀有四十余年的历史，已经圆满完成 LIPS200 离子电推进系统、LHT100空间电推进测试与评价技术 002 Testing and Evaluation Technologies for Space Electric Propulsion 霍尔电推进系统空间飞行验证，并在国内率先完成电推进系统地面长寿命考核以及空间工程应用，还完成了多个种类、多个规格的电推进样机研制，是国内电推进技术发展的领军单位。空间电推进测试与评价技术是兰州空间技术物理研究所的专家在总结国外电推进测试与评价技术的基础上，根据自身实践编著而成。该书涵盖电推力器及其关键部组件的性能、寿命测试与评价技术，电推力器力、热特性评价技术，电推进系统兼容性试验技术等方面的内容，不仅反映了作者多年来在电推进领域内的研究成果，同时引入国内外同行在该领域所取得的成就，内容丰富，知识性强。该书将不仅对中国空间电推进技术发展产生重要、积极的影响，也是对中国航天的一份重要贡献。应作者邀请为空间电推进测试与评价技术撰写序言，为之高兴。兰州空间技术物理研究所对空间电推进技术的研究工作，从理论到实践，做得很深入，为国内领先，这部书的出版相信会对促进我国空间事业的发展，建设航天强国，起到积极推动作用。中国工程院院士：2017 年 10 月 001 前 言 空间电推进是利用电能加热、离解和加速工质形成高速射流而产生推力的技术，相对传统化学推进具有比冲高的显著特点。空间电推进可以应用于航天器的姿态和轨道控制、轨道转移、深空探测主推进、无拖曳控制等任务。航天器应用电推进，可以大幅减少推进剂携带量。以美国 BSS702SP 通信卫星平台为例，采用电推进进行轨道转移和位置保持，该平台发射质量约为 2 t，而如果采用化学推进方案，该平台的质量将高达 4 t 以上。另外，针对部分速度增量较大的深空探测任务，如果不采用电推进，则需要携带的推进剂质量远远超过运载的发射能力，任务根本无法实现。由此可见，应用电推进可以产生巨大的技术经济效益。半个世纪以来，美国、俄罗斯、欧空局和日本都在电推进技术领域持续地大力投入，目前，不同类型和不同特点的电推进在空间航天器上得到了广泛应用。近二十年来，我国空间电推进技术在需求牵引和其他技术发展的支持下，也取得了丰硕的成果。2012 年，我国首次实现了离子、霍尔两个类型的电推进空间飞行验证；2016 年，我国 LIPS200 离子电推进系统首次完成地面长寿命考核试验，表明该系统具备了确保卫星在轨可靠运行 15 年以上的能力；2017 年，我国首颗高通量通信卫星实践十三号成功发射，LIPS200 离子电推进系统首次实现空间正式应用。可以预见，在今后的十年内，随着我国通信卫星技术升级换代，深空探测国家重大专项以及其他空间科学探测项目的实施，我国空间电推进技术将迎来前所未有的蓬勃发展机遇期。实现电推进在轨应用，必须经过充分的地面测试与评价，确认电推进产品的性能、寿命、可靠性以及与航天器的兼容性等特性能满足航天器的应用要求。空间电推进测试与评价技术 002 Testing and Evaluation Technologies for Space Electric Propulsion 为了促进我国空间电推进技术的发展，支持我国航天技术快速发展，支撑国家重大专项顺利实施，笔者和国内同行都热切希望有一本系统介绍空间电推进测试与评价技术的专著。从 2015 年，笔者在许多专家和同事的支持下开始编著本书，经过两年的努力，本书终于同读者见面了，但愿本书能对读者有所帮助，能对我国空间电推进技术的发展略尽绵薄之力。本书系统介绍了国内外空间电推进测试与评价技术方面的最新进展，内容涵盖电推力器及其关键部组件的性能、寿命测试与评价技术，电推力器力、热特性分析与评价技术，电推进系统与航天器兼容性试验与评价技术，书中还介绍了电推进推进剂流量控制与测量技术、电推进试验设备。在电推力器性能测试与评价中重点介绍了推力、比冲、效率、发散角、推力偏心角等指标的测试与评价方法。在电推力器寿命验证试验与评价技术中，重点介绍了电推力器寿命试验方案与分析评价方法。在电推力器关键部组件测试与评价技术中，重点介绍了空心阴极与栅极的测试与评价技术。在电推力器力、热特性分析与评价技术中，着重介绍了力、热特性建模分析试验验证方法。在电推进系统与航天器兼容性试验与评价技术中，着重介绍了电推进羽流特性诊断及其影响评估方法，以及电推进系统电磁兼容性试验技术。以上内容大多是本书的各位编著者在电推进技术研究、产品开发、飞行产品研制中多次实践应用的技术成果，很多成果已经服务于我国航天器电推进系统研制，多次保证了空间电推进飞行成功。特别是基于特征频率和位移复合特性的微小推力激光测量方法、基于透波副舱的真空环境下电推力器电磁辐射发射测量方法、基于热节流器的微小流量控制方法和定容差压校准方法、基于法拉第平面阵列的推力矢量偏心角和束发散角测量方法、空心球形朗缪尔探针与阻滞势分析仪相互配合的电推进羽流等离子体参数诊断方法，系统解决了电推进测试与评价技术中面临的一系列难题，形成了多项自主知识产权，受到同行的广泛关注与高度评价。在本书的撰写过程中，兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室的龙建飞、贾艳辉、唐福俊、杨俊泰、陈娟娟、孟伟、孙明明、王蒙、谷增杰、李娟、颜则东、陈益峰、田恺、杨浩、杨福全、成永军、赵澜、徐金灵等同事提供了大量资料并参与了撰稿工作，在此表示衷心的感谢！由于编著者水平有限，书中不足之处在所难免，敬请广大读者批评指正。李得天 2017 年 10 月 目 录 001 目 录 第 1 章 空间电推进基础知识 001 1.1 电推进简介 002 1.1.1 电推进的基本概念与分类 002 1.1.2 典型电推进简介 004 1.1.3 电推力器主要性能参数 009 1.2 电推进发展概述及典型应用 015 1.2.1 电推进技术发展 015 1.2.2 电推进应用进展 015 1.2.3 深空探测领域典型应用 017 1.2.4 地球轨道卫星领域典型应用 021 1.3 电推进测试技术概要 024 1.3.1 电推进测试工作的必要性 024 1.3.2 电推进测试的内容及范畴 024 1.3.3 电推进测试的作用及意义 025 参考文献 025 第 2 章 电推力器性能测试与评价技术 029 2.1 电推力器性能及束流特性测试概述 030 2.1.1 电推力器主要性能参数测试 030 2.1.2 离子推力器束流特性及测试 031 2.2 电推进微小推力测试 035 空间电推进测试与评价技术 002 Testing and Evaluation Technologies for Space Electric Propulsion 2.2.1 推力测量的必要性 035 2.2.2 扭转式推力测量方法 035 2.2.3 摆式推力测量方法 038 2.3 电推进束流分布测试 042 2.3.1 束流分布测试原理 042 2.3.2 束流分布测试装置实例 051 2.3.3 典型实例束流分布测试结果与分析 058 2.4 双荷离子比例测试 062 2.4.1 测试原理 062 2.4.2 测试装置及测试方法 066 2.4.3 测试结果与分析 068 参考文献 071 第 3 章 电推力器寿命验证试验与评估技术 075 3.1 概述 076 3.2 寿命试验技术 077 3.2.1 试验方法 077 3.2.2 试验系统组成 079 3.2.3 试验流程 080 3.2.4 性能变化诊断测试项目 084 3.3 寿命试验实例 085 3.3.1 NSTAR 离子推力器分阶段的寿命扩展试验 086 3.3.2 NEXT 离子推力器寿命试验 086 3.3.3 XIPS13 和 XIPS25 离子推力器寿命试验 088 3.3.4 ETSVI 离子推力器寿命试验情况 089 3.3.5 10 离子推力器寿命试验 092 3.3.6 RITA 推力器寿命试验 092