面向空间电推力器的氙气供给系统流量脉动演化机理研究

Electric thrusters using xenon as the working fluid represent the development direction of the satellite propulsion system due to its high specific impulse and are especially suitable for long-range deep space exploration missions. The flow pulsation of xenon feeding system is the fundamental reason that affects the in-orbit working efficiency and service life of thrusters, and the flow pulsation is the result of the many factors’ coupling and its evolution mechanism is still not uncertain. Based on the investigating of the mutual coupling between structure parameters, control parameters and xenon physical properties, the project establishes a xenon pressure pulsation model based on multi-physical coupling parameters and explores the evolution process of pressure pulsation over the whole life cycle. Then the formation theory of xenon pressure pulsation is built. Based on the research on the dynamic distribution parameter model of complex xenon pipes and the dynamic flow resistance characteristics of the thermal throttles, the dynamic propagation model of xenon pressure pulsation is established. The propagation characteristics evolution process of xenon pressure pulsation is discussed when the temperature of thermal throttles is regulated. Then the propagation theory of xenon pressure pulsation is formed. By researching the expressing method of the pulsation amplitude and the influence level of each parameter, the project establishes the objective function and the optimizing variable matrix which creates a multivariable optimization method of xenon feeding system based on minimizing the flow pulsation. The research achievements of this project can provide theoretical basis and effective support to design high precision xenon feeding system of advance electric propulsion system for deep space exploration mission.

以氙气为工质的电推力器，凭借比冲高的优势代表着卫星推进系统的发展方向，尤其适用于深空探测等长距离星际飞行任务。氙气供给系统的流量脉动是影响电推力器在轨工作效率及使用寿命的根本原因，而流量脉动是多种因素耦合作用的结果，其演化机理尚不明确。本项目研究结构参数、控制参数及氙气物性之间的相互耦合关系，建立基于多物理参数耦合的氙气压力脉动模型，探索全寿命周期内压力脉动演化过程，构建氙气压力脉动形成理论；研究复杂氙气管路分布参数动态模型和热节流器动态流阻特性，建立氙气压力脉动传播特性动态模型，探究变温调节过程中氙气压力脉动传播特性演化过程，形成氙气压力脉动传播理论；研究流量脉动表征方法和各参数影响程度，建立目标函数和优化变量矩阵，创成基于流量脉动最小化的氙气供给系统多变量优化设计方法。研究成果为我国高精度氙气供给系统的优化设计及仿真分析提供理论依据，助力我国电推进技术发展和深空探测任务的实施。

以氙气为工质的电推力器，凭借比冲高的优势代表着卫星推进系统的发展方向，尤其适用于深空探测等长距离星际飞行任务。氙气供给系统的流量脉动是影响电推力器在轨工作效率及使用寿命的根本原因。本项目建立了高速电磁阀的动态模型，分析了结构参数对开关特性的影响；通过引入压缩因子Z，对氙气的超临界状态进行了数学表征；建立了考虑充放气过程中温度变化的容腔气体方程；研究了同步和异步两种Bang-Bang控制算法；考虑氙气物性、电磁阀开关特性、充放气温度变化特性等构建了基于多物理参数耦合的氙气压力脉动模型，成功解释了氙气供给系统的压力脉动的形成机理。建立了迷宫型微流量控制器的网络化流阻模型，研究了不同构型及结构参数对流量的影响研究节流器动态网路流阻特性；以建立的压力脉动模型和迷宫型流量控制器的网络化流阻模型为基础，构建了氙气供给系统的流量脉动模型，掌握复杂流体通道内氙气压力脉动的传播特性。基于本项目建立的理论模型，建立了氙气供给系统的仿真模型，对控制方式、控制参数、结构参数等对氙气供给系统流量脉动的影响进行了分析，实现了参数优化；根据优化参数，设计了微型氙气供给模块的试验样机，并进行试验研究，对本项目建立的理论模型及仿真方法完成了验证。研究成果为我国高精度氙气供给系统的优化设计及仿真分析 提供理论依据，助力我国电推进技术发展和深空探测任务的实施。本项目的研究成果直接应用于航天产品，牵引出的Bang-Bang控制型微型氙气供给模块是国内首次在轨应用的高集成化微型氙气供给模块，是我国低轨互联网卫星电推进系统的标配产品。