胡幗杰,李健,劉百麟

中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部,北京100094

地球靜止軌道LIPS-300離子電推力器熱設(shè)計與優(yōu)化

胡幗杰*,李健,劉百麟

中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部,北京100094

LIPS-300離子電推力器工作時產(chǎn)生的大量熱耗會嚴重影響其工作性能,因此推力器的熱控設(shè)計和在軌溫度預(yù)計是推力器設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章首先提出了地球靜止軌道LIPS-300離子電推力器熱設(shè)計,建立了離子電推力器熱分析有限元模型。然后,針對典型的地球靜止軌道位保工況開展了LIPS-300離子電推力器的在軌熱分析,得到了LIPS-300離子電推力器重點部件在軌工作時的溫度預(yù)計:下極靴、陽極筒、屏柵、下磁鋼為主要的高溫位置,且下磁鋼溫度可能超出材料溫度上限。最后,基于熱分析的結(jié)果結(jié)合離子電推力器的特點提出適當增加外殼散熱面積是離子電推力器優(yōu)化設(shè)計的有效方向,而增強陽極筒、極靴與屏柵筒間的內(nèi)部換熱是無效的設(shè)計優(yōu)化方向。

地球靜止軌道;離子電推力器;熱設(shè)計;在軌熱分析;優(yōu)化設(shè)計

Key words:geosynchronous orbit;ion thruster;thermal design;thermal analysis in orbit; optimization design

離子電推進技術(shù)是先進的空間推進技術(shù),其比沖比常規(guī)化學燃料發(fā)動機高出數(shù)倍,大大提高了衛(wèi)星的有效載荷質(zhì)量,延長了衛(wèi)星在軌工作壽命。隨著航天器在軌應(yīng)用需求的不斷增加,對離子電推進系統(tǒng)也有了更高的要求。大推力、高比沖、長壽命及高可靠性已經(jīng)成為目前離子電推力器技術(shù)發(fā)展的趨勢[1-2]。

中國蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的20 cm口徑LIPS-200離子電推力器已經(jīng)于2012年進行了飛行演示試驗[3],得到了成功驗證。為了獲得更大的推力和比沖,在LIPS-200離子電推力器的基礎(chǔ)上又研制了推力更大的30 cm口徑LIPS-300離子電推力器[4]。不過,LIPS-300離子電推力器在推力增加的同時產(chǎn)生的熱量也大大增加,從而嚴重影響電推力器的工作性能和使用壽命[5-7],因此電推力器的熱控設(shè)計和在軌工作溫度預(yù)計是電推力器設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。

關(guān)于電推力器的設(shè)計技術(shù),公開發(fā)表的可借鑒資料甚少,尤其缺少詳細的設(shè)計技術(shù)資料。從可見的報道中推測,熱控設(shè)計中采用的主要散熱措施包括表面涂覆散熱涂層和外殼開多孔兩種。外殼開多孔可以增加推力器放電室與冷空間的換熱,但是也會增強外部熱環(huán)境對推力器內(nèi)部環(huán)境的影響,同時也大大增加了機械加工的難度,因此不是優(yōu)選的設(shè)計方案。而表面涂覆散熱涂層能有效地提高相應(yīng)表面的散熱效率,改善推力器內(nèi)部熱量的散熱條件,是有效的設(shè)計方案。不過,國外資料中沒有給出散熱涂層的涂覆位置、散熱路徑和散熱面設(shè)計等具體熱控設(shè)計方案。國內(nèi)研究中,孫明明等[8]僅根據(jù)對LIPS-300離子電推力器的地面穩(wěn)態(tài)分析討論了表面散熱涂層的優(yōu)化作用,但沒有進行在軌熱分析,也沒有給出系統(tǒng)的熱控設(shè)計和優(yōu)化分析。

為了提高LIPS-300離子電推力器的性能和可靠性,需對其進行系統(tǒng)的熱控設(shè)計和在軌熱分析,并對電推力器提出設(shè)計優(yōu)化建議。本文即針對典型的地球同步軌道位保工況對LIPS-300離子電推力器開展熱設(shè)計和在軌熱分析,并基于熱分析結(jié)果提出設(shè)計優(yōu)化方案。

1 LIPS-300離子電推力器

1.1 電推力器構(gòu)成和星上布局

LIPS-300離子電推力器主要由主陰極、放電室、柵極組件、中和器、外殼(含安裝板)等部分組成。其中,放電室由陽極筒、屏柵筒、磁鐵和極靴組成,主陰極安裝在放電室底部屏柵筒中央,中和器陰極安裝在外殼外壁上。離子推力器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LIPS-300離子電推力器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of the LIPS-300 ion thruster structure

電推力器在星上的安裝位置如圖2所示。四臺LIPS-300離子電推力器對稱安裝于衛(wèi)星背地板外表面上。該布局電推力器包絡(luò)要求:電推力器在星上安裝后,距離星體南北板外表面的橫向尺寸和縱向距離背地板外表面的尺寸的最大包絡(luò)處均應(yīng)滿足運載包絡(luò)要求。

LIPS-300離子電推力器通過柱段外殼安裝法蘭與矢量調(diào)節(jié)機構(gòu)的連接板隔熱安裝,矢量調(diào)節(jié)機構(gòu)通過安裝底板上的安裝孔與衛(wèi)星艙板隔熱安裝。

1.2 內(nèi)部熱耗

離子電推力器依靠氣體放電并中和產(chǎn)生推力,放電腔內(nèi)部各類帶有能量的粒子在沉積過程中會產(chǎn)生大量熱耗,并由等離子體云團向放電腔不同內(nèi)表面輻射[9-11]。此外,在離子電推力器工作時發(fā)射體需要維持較高的溫度才能克服逸出功并產(chǎn)生電子。

孫明明等[12-13]基于能量沉積數(shù)學模型計算得到了LIPS-300離子電推力器在不同工作模式下放電室各個部件相應(yīng)位置的內(nèi)部熱耗以及發(fā)射體的溫度。在5.0 k W高功率模式下,總熱耗共585.47 W,其中陽極筒占393.35 W,主陰極、屏柵及加速柵分別加載剩余熱耗,發(fā)射體維持約1740℃高溫;在3.0 kW低功率模式下,總熱耗共396.45 W,其中陽極筒占294.40 W,發(fā)射體溫度約1734℃;在2.4 kW低功率模式下,總熱耗共326.12 W,其中陽極筒占242.81 W,發(fā)射體溫度約為1715℃。

圖2 星上離子電推力器構(gòu)型布局Fig.2 Arrangement of the ion thruster on the satellite

2 熱設(shè)計

由于LIPS-300離子電推力器在軌工作期間放電室產(chǎn)生的高額熱流是制約熱設(shè)計的關(guān)鍵,因此由放電室至深冷空間設(shè)計有效的散熱路徑是實現(xiàn)LIPS-300離子電推力器溫度控制的主要技術(shù)途徑。根據(jù)上述設(shè)計原理,采取屏柵筒外表面、外殼內(nèi)表面高發(fā)射率處理,強化放電室到離子電推力器外殼的輻射換熱;在外殼外表面進行散熱設(shè)計,將工作期間放電室產(chǎn)生的廢熱排散到深冷空間。

LIPS-300離子電推力器具體的熱控設(shè)計如下:

1)上、下屏柵筒外表面(朝向外殼)進行本色陽極化處理(紅外發(fā)射率εh為0.82),強化屏柵筒與磁鋼、外殼之間的輻射換熱。

2)前、后外殼內(nèi)表面(朝向屏柵筒外表面)進行本色陽極化處理(εh為0.82),強化外殼與屏柵筒、磁鋼之間的輻射換熱。

3)前外殼外表面(朝向冷空間)含鎖緊耳片均噴涂CCAg(Silver Composite Coating)型復(fù)合熱控薄膜[14-15](太陽吸收率αS為0.3,εh為0.75),提高外殼外表面的散熱效率。

4)后外殼外表面(朝向冷空間)包覆10單元多層隔熱組件,削弱電推力器與星本體之間的熱耦合。

5)除此之外,電推力器其他表面為原始表面狀態(tài)。

圖3為基于上述熱控設(shè)計的離子電推力器散熱路徑示意。從圖3中可以看到,本文開展的熱設(shè)計中在屏柵筒和外殼以及外殼和深冷空間之間相應(yīng)采用了本色陽極化處理和噴涂CCAg熱控涂層強化散熱,增強了LIPS-300離子電推力器大量熱耗的排散。此外,如圖3所示,上述熱控設(shè)計中沒有采用強化陽極筒和屏柵筒之間換熱的措施,后續(xù)將詳細分析此部分措施的影響。

圖3 LIPS-300離子電推力器散熱路徑設(shè)計示意Fig.3 Schematic of the designed heat diffusion path of the LIPS-300 ion thruster

3 有限元建模

為便于分析計算,同時考慮到傳熱關(guān)系,在本文的有限元建模中采用了如下簡化與假設(shè):

1)電推力器安裝在星外,星體內(nèi)部溫度對電推力器的影響只通過電推力器安裝底板與星體接觸面來實現(xiàn),本文模型中把星體安裝板作定壁溫邊界處理,忽略衛(wèi)星本體艙內(nèi)溫度波動對電推力器的影響。

2)矢量調(diào)節(jié)機構(gòu)按定溫邊界處理,外表面按包覆10單元多層隔熱組件處理。

3)忽略離子電推力器與矢量調(diào)節(jié)機構(gòu)之間的接觸換熱,按絕熱處理。

4)電推力器放電室熱流分布按照理論分析計算賦值[12-13],中和器陰極和主陰極發(fā)射體按定溫邊界處理。

5)屏柵和加速柵為帶孔拋面,由于柵極開孔孔徑較小無法精確建模,因此建模時簡化為實體,然后根據(jù)開孔率折算等效的太陽吸收比和紅外發(fā)射率。

6)忽略東西板和對地板上的星外凸出部件以及太陽翼對電推進分系統(tǒng)星外部件的溫度影響。

7)忽略LIPS-300離子電推力器與星體之間連接電纜、管路的發(fā)熱和漏熱。

8)有限元模型中簡化了與陰極相連的管路、電連接導(dǎo)線、表面連接處的螺孔螺釘?shù)燃毿⊥蛊鸩考?/p>

對于在軌熱分析,需要對電推力器和星體進行整體有限元建模。其中,主陰極處部件結(jié)構(gòu)和熱耦合關(guān)系復(fù)雜,且發(fā)射體有高溫邊界條件,為了保證有限元模型的準確性,建模中采用自動和人工結(jié)合的網(wǎng)格劃分方法,分別建立了陰極發(fā)射體、陰極管、內(nèi)外陰極屏套等有限元網(wǎng)格及熱耦合關(guān)系。此外,上極靴、中極靴、下極靴是熱分析的關(guān)鍵部件且結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,建模中同樣采用自動和人工結(jié)合的網(wǎng)格劃分方法。

星本體東西艙板及推力器后外殼表面包覆的多層隔熱組件,采用不均勻多層殼的建模方法。即直接在實體表面繪制面網(wǎng)格,并賦予不均勻多層殼屬性,不均勻多層殼的頂層和底層的輻射屬性分別按多層組件表面(即黃膜或黑膜)和實體的實際材料賦值,頂層和底層之間按多層隔熱組件的當量輻射率賦輻射熱耦合關(guān)系。此方法未新增單元和節(jié)點,計算效率較高。

圖4為本文建立的LIPS-300離子電推力器和星體的有限元模型,模型共劃分為111 697個面(殼)網(wǎng)格單元。

圖5給出了LIPS-300離子電推力器的有限元模型,總共劃分為27 250個面(殼)網(wǎng)格單元。

圖4 整星有限元模型Fig.4 Finite element model of the whole-spacecraft

圖5 LIPS-300離子電推力器有限元模型Fig.5 Finite element model of the LIPS-300 ion thruster

由于LIPS-300離子電推力器還未開展熱平衡試驗,本文僅能通過與孫明明等[8]開展的LIPS-300離子電推力器的地面穩(wěn)態(tài)分析進行比對,驗證文中建立的熱分析模型。孫明明等使用ANSYS有限元軟件建模,本文使用NX/ TMG有限元軟件建模,兩者得到的結(jié)果可以相互驗證。不過,由于孫明明等建模的關(guān)注點在熱變形分析,與本文建模的關(guān)注點和簡化假設(shè)有所區(qū)別,因此本文熱分析結(jié)果與其分析結(jié)果的對比會存在一定的差異。

對比驗證工況取與孫明明等[8]地面穩(wěn)態(tài)分析相同的邊界條件,同樣設(shè)置推力器工作條件為地面環(huán)境,溫度為22℃。圖6給出了本文熱分析模型和孫明明等[8]的地面穩(wěn)態(tài)分析模型得到的下磁鋼及下極靴的溫度分布,從圖6中對比可以看出兩者的溫度分布規(guī)律相同且差異小于10℃,驗證了本文熱分析模型的合理性。

圖6 下磁鋼及下極靴溫度分布結(jié)果Fig.6 Temperature distribution of the downstream magnet and downstream anode

4 在軌熱分析

4.1 在軌熱環(huán)境

對于LIPS-300離子電推力器典型地球同步軌道的位保工況,工作軌道參數(shù)為:軌道高度35 786 km,軌道周期24 h,軌道傾角0°,最長地球陰影時間72 min。由于軌道高度遠大于10 000 km,衛(wèi)星受到的地球輻射和地球反照可忽略不計,衛(wèi)星外熱流主要為太陽輻射,太陽輻照平均值為1 353 W/m2,春分、夏至、秋分、冬至是外熱流變化的典型特征日,太陽輻照值有所不同,在夏至為1 309 W/m2,冬至為1 399 W/m2,分點為1 361 W/m2。

4.2 參數(shù)設(shè)置

在熱分析中選取的電推力器主要部件的熱物性參數(shù)如表1所示。

表1 LIPS-300離子電推力器材料屬性Table 1 Material properties of the LIPS-300 ion thruster

4.3 工況設(shè)置

本文計算的衛(wèi)星處于地球同步軌道,影響衛(wèi)星溫度變化的空間環(huán)境熱源是太陽。經(jīng)分析,離子電推力器極端低溫工況出現(xiàn)在轉(zhuǎn)移軌道,無外熱流的情況。由于冬至太陽光照射南板且太陽輻照度最大,再加上壽命末期熱控涂層退化,太陽吸收比升高,因此壽命末期的冬至靠近南板安裝的離子電推力器將出現(xiàn)高溫工況。

綜上所述,本文進行以下2個典型高溫、低溫工況的熱分析計算如下。

工況1:壽命末期,冬至軌道外熱流,瞬態(tài)計算;+X側(cè)2臺離子電推力器24 h工作,離子電推力器內(nèi)部功耗按照5.0 k W高功率模式的熱流分布賦值,其余2臺離子電推力器均不工作;衛(wèi)星本體艙板定溫為40℃,矢量調(diào)節(jié)機構(gòu)定溫為60℃。

工況2:轉(zhuǎn)移軌道,無外熱流,穩(wěn)態(tài)計算; 4個離子電推力器均不工作;衛(wèi)星本體艙板定溫為0℃,矢量調(diào)節(jié)機構(gòu)定溫為0℃。

4.4 計算結(jié)果及分析

選取安裝衛(wèi)星背地板+X+Y側(cè)的離子電推力器為主分析對象,其他3個離子電推力器為輔助分析對象,考慮其對主分析對象的遮擋影響。

工況1和工況2主要部件溫度平均值Tave(部件各個位置溫度的平均值)見表2,其中工況1還列出了部件溫度的最大值Tmax和最小值Tmin(部件各個位置溫度的最大值和最小值)。

表2 工況1、工況2主要部件溫度計算結(jié)果Table 2 Simulation results of the main components temperature in Case 1 and Case 2 ℃

從計算結(jié)果可以看到,在低溫工況,電推力器整體溫度范圍約為-191～-176℃,其中加速柵和支撐座由于與其他部件隔熱設(shè)計,因此溫度較電推力器其他部件低約10℃,電推力器整體溫度在-179℃左右。

在離子電推力器在軌工作的高溫工況下,下極靴、下陽極筒、上陽極筒、屏柵、下磁鋼和下屏柵筒為主要的高溫位置,具體分析如下:

1)主陰極有大量內(nèi)部熱耗,并且工作中主陰極維持約1 740℃恒定高溫,受其影響下極靴、下陽極筒溫度較高。此外,對于下陽極筒還有內(nèi)部熱耗影響,因此下極靴、下陽極筒為高溫位置。

2)上陽極筒、屏柵受內(nèi)部熱耗以及下陽極筒和主陰極的熱輻射影響溫度也較高。

3)下磁鋼和下屏柵筒沒有內(nèi)部熱耗,不過它們與下極靴和下陽極筒有較強的熱耦合(包括熱傳導(dǎo)和熱輻射),因此下磁鋼和下屏柵筒也是明顯的高溫位置。

考慮到磁鋼的選材和工作性能要求,磁鋼溫度上限為380℃,下磁鋼的溫度最大值已經(jīng)超過了溫度上限要求。為了更清晰地描述磁鋼在離子電推力器在軌工作高溫工況下的溫度變化和溫度分布情況,圖7和圖8分別給出了工況1下磁鋼在兩個周期內(nèi)溫度T隨時間t的變化曲線和磁鋼在當?shù)卣鐣r刻的溫度云圖。

圖7 工況1下磁鋼溫度隨時間的變化曲線Fig.7 Temperature evolutions of the downstream magnet in case 1

從圖7可以看到,在離子電推力器在軌工作的高溫工況下,下磁鋼溫度經(jīng)歷約4 h的快速上升后,穩(wěn)定小幅波動,波動幅度約20℃。磁鋼初始快速升溫主要是由于電推力器點火工作后內(nèi)部熱耗的影響,約4 h后內(nèi)部熱耗對溫度的影響已趨于穩(wěn)態(tài),隨后的溫度波動為外熱流的影響。由于離子電推力器在軌工作的內(nèi)部熱耗較大,引起的溫升遠大于外熱流引起的溫度波動,因此溫度隨時間的變化曲線表現(xiàn)為如圖7所示的溫度快速升高后趨于穩(wěn)定。計算得到的其他部件溫度隨時間變化曲線也有類似的規(guī)律。上述模擬結(jié)果表明在5.0 k W高功率模式下外熱流對電推力器內(nèi)部部件溫度影響較小,內(nèi)熱源是內(nèi)部部件溫度水平的主導(dǎo)因素。

圖8 工況1磁鋼當?shù)卣鐣r刻溫度云圖Fig.8 Temperature contour of the magnets at the local noon in case 1

另外,從圖8可以看到靠近下極靴的磁鋼部位是磁鋼的高溫區(qū)域,也是超過磁鋼溫度上限要求的位置。因此,從熱分析的角度設(shè)計優(yōu)化主要有兩個方向:一是增強后外殼向深冷空間散熱從而直接降低下磁鋼溫度;二是增強下極靴和下陽極筒向外的傳熱通道(包括熱輻射和熱傳導(dǎo))使它們的溫度降低,進而減弱它們對下磁鋼的影響使下磁鋼溫度降低。不過,兩個設(shè)計優(yōu)化方向的效果還需要通過模擬計算進行驗證。下節(jié)將從增加散熱面積、增強內(nèi)部換熱兩個方面展開設(shè)計優(yōu)化分析。

5 設(shè)計優(yōu)化分析

5.1 增加散熱面積

在第2節(jié)所述熱控設(shè)計基礎(chǔ)上,增加設(shè)置錐段后外殼外表面為散熱面,即錐段后外殼外表面熱控狀態(tài)由包覆多層隔熱組件改為涂覆CCAg型復(fù)合熱控薄膜[14-15],作為設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)1。不過,增加散熱面會影響低溫工況部件的溫度,因此也需要對低溫工況進行核算。這里設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)1同樣設(shè)置高溫工況和低溫工況,高溫工況與工況1設(shè)置一致,低溫工況與工況2設(shè)置一致。設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)1高溫工況、低溫工況各部件溫度平均值見表3,其中高溫工況還列出了部件溫度的最大值和最小值。

表3 設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)1高溫工況、低溫工況主要部件溫度計算結(jié)果Table 3 Simulation results of the main components temperature for optimization design scheme 1 in the worst hot and cold cases ℃

從計算結(jié)果可以看到,相比工況1,設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)1高溫工況電推力器整體溫度明顯降低,磁鋼溫度降幅約13%～19%,上、下磁鋼溫度均低于380℃。因此,增加散熱面積對降低磁鋼溫度的優(yōu)化效果顯著。

此外,相比工況2,設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)1低溫工況電推力器整體溫度并未降低而是提高約19℃。這是由于錐段后外殼外表面涂覆CCAg型復(fù)合熱控薄膜在增強與深冷空間換熱的同時也會增強電推力器與星本體的熱交換,而星本體艙板溫度受星內(nèi)熱控措施控制,低溫下限為0℃,對應(yīng)多層外表面約為-100℃,高于低溫工況(工況2)電推力器部件溫度,因此對于設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)1,低溫工況下,電推力器會從星本體吸熱從而使電推力器部件溫度有所升高,這對于電推力器部件性能也是有利的。

綜上所述,適當增加散熱面積是有效的設(shè)計優(yōu)化方向。

5.2 增加內(nèi)部換熱

下極靴和下陽極筒向外的傳熱通道主要包括熱輻射通道和熱傳導(dǎo)通道,因此可以通過增強極靴、陽極筒與屏柵筒之間的內(nèi)部輻射換熱和傳導(dǎo)換熱來增強內(nèi)部換熱,從而增強下極靴和下陽極筒向外的傳熱通道,實現(xiàn)降低其溫度的效果。

(1)增強內(nèi)部輻射換熱

在第2節(jié)所述熱控設(shè)計基礎(chǔ)上,增加將屏柵筒內(nèi)表面與陽極筒外表面做陽極化處理,作為設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)2,即加強陽極筒與屏柵筒之間輻射換熱。計算工況設(shè)置高溫工況,與工況1設(shè)置一致,關(guān)注設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)2對高溫區(qū)是否有降溫效果。設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)2高溫工況各部件溫度平均值、最大值和最小值見表4。

表4 設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)2高溫工況主要部件溫度計算結(jié)果Table 4 Simulation results of the main components temperature for optimization design scheme 2 in the worst hot case ℃

從計算結(jié)果可以看到,相比工況1,設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)2高溫工況雖然陽極筒溫度明顯降低,降幅約16%～20%,但屏柵筒溫度升高,升幅約5%～6%。下磁鋼受屏柵筒影響溫度升高約10℃,下磁鋼工作溫度范圍為359.91～398.91℃,溫度最大值超過380℃的溫度上限要求,因此設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)2沒有實現(xiàn)磁鋼降溫的優(yōu)化效果,增強陽極筒與屏柵筒之間的內(nèi)部輻射換熱不是有效的設(shè)計優(yōu)化方向。

(2)增強內(nèi)部傳導(dǎo)換熱

在第2節(jié)所述熱控狀態(tài)設(shè)計基礎(chǔ)上,將屏柵筒與極靴間的接觸面積增加一倍,作為設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)3,即加強極靴與屏柵筒之間傳導(dǎo)換熱。計算工況同樣設(shè)置高溫工況,與工況1設(shè)置一致,關(guān)注設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)3對高溫區(qū)是否有降溫效果。設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)3高溫工況各部件溫度平均值、最大值和最小值見表5。

表5 設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)3高溫工況主要部件溫度計算結(jié)果Table 5 Simulation results of the main components temperature for optimization design scheme 3 in the worst hot case ℃

從計算結(jié)果可以看到,相比工況1,設(shè)計優(yōu)化狀態(tài)3高溫工況電推力器整體溫度水平變化較小,磁鋼溫度降低不超過5℃,溫度最大值還是超過380℃的溫度上限要求。這是由于電推力器內(nèi)部部件之間換熱以熱輻射為主,熱傳導(dǎo)對各部件溫度水平的影響較小。因此,增強極靴與屏柵筒之間的內(nèi)部傳導(dǎo)換熱也不是有效的設(shè)計優(yōu)化方向。

綜上所述,增強陽極筒、極靴與屏柵筒間的內(nèi)部換熱不是有效的設(shè)計優(yōu)化方向。

6 結(jié)束語

本文對地球同步軌道LIPS-300離子電推力器開展了熱設(shè)計和在軌熱分析。熱設(shè)計采用了本色陽極化處理和噴涂CCAg熱控涂層強化屏柵筒和外殼以及外殼和深冷空間之間換熱,從而改善了電推力器內(nèi)部熱耗的散熱路徑。在軌熱分析結(jié)果表明:在極端高溫工況下,下極靴、陽極筒、屏柵、下磁鋼為主要的高溫位置,且下磁鋼最高溫度會超出磁鋼工作溫度上限。此外,電推力器主要部件溫度隨時間的變化規(guī)律均為在初始快速升溫后穩(wěn)定小幅波動,表明電推力器內(nèi)熱源是決定電推力器整體溫度水平的主導(dǎo)因素。基于在軌熱分析,本文還驗證了兩個設(shè)計優(yōu)化方向的有效性,結(jié)果表明適當增加散熱面積是有效的設(shè)計優(yōu)化方向,而增強陽極筒、極靴與屏柵筒間的內(nèi)部換熱是無效的設(shè)計優(yōu)化方向。

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(編輯:范真真)

Thermal design and optimization of LlPS-300 ion thruster in geosynchronous orbit

HU Guojie*,LI Jian,LIU Bailin
Institute of Telecommunication Satellite,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China

The Large heat dissipation of LIPS-300 ion thruster seriously affects its performance.Therefore,the thermal design and analysis of LIPS-300 ion thruster in geosynchronous orbit were carried out.The simulation results show that under the hightemperature working condition,the downstream harness,downstream and upstream anode, screen grid,and downstream magnet are the positions with the highest temperature,and the temperature of the downstream magnet exceeds the temperature upper limit.In order to decrease the temperature of the downstream magnet,two optimization design measures were presented and tried.The analysis results indicate that increasing heat radiation area is an effective optimization design measure while enhancing the inner heat exchange is noneffective.

V439+.4

:A

10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0015

2015-11-12;

:2015-12-10;錄用日期:2015-12-30;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間:2016-02-24 13:41:18

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160224.1341.013.html

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:胡幗杰(1985-),女,博士,hgj919@163.com,主要研究方向為航天器熱設(shè)計及換熱流動優(yōu)化

胡幗杰,李健,劉百麟.地球靜止軌道LIPS-300離子推力器熱設(shè)計與優(yōu)化[J].中國空間科學技術(shù),2016,36(1):85-93.HU G J,LI J,LIU B L.Thermal design and optimization of LIPS-300 ion thruster in geosynchronous orbit[J]. Chinese Space Science and Technology,2016,36(1):85-93(in Chinese).

http:∥zgkj.cast.cn