离子推力器的加速栅电压对加速栅截获电流的大小有影响。目前,离子推力器加速栅电压值是通过实验多次调节确定的,理论计算只能给出加速栅电压最大值。针对兰州空间技术物理研究所研制的双级加速离子推力器开展了加速栅电压的优化设计,利用质点网格法和蒙特卡洛碰撞法(PIC-MCC)开展了8000 s比冲条件下5种加速栅电压(-150,-180,-200,-250,-300 V)对离子运动轨迹、束流发散角、交换电荷(CEX)截获的数量和能量以及加速栅溅射速率的影响研究,根据研究结果确定了最佳加速栅电压为-250 V。最后开展了验证实验,结果表明加速栅电压为-250 V左右时,加速栅电流较小,验证了数值仿真的正确性。

针对双级加速离子光学系统的设计，开展了栅极几何参数对离子光学系统性能影响的研究。采用质点网格法和蒙特卡罗碰撞法开展栅极关键几何参数对束流引出能力、束流发散角、交换电荷(CEX)离子的截获影响规律研究；另外，还开展了不同比冲下束流发散角、碰撞交换电荷离子的变化趋势研究。研究结果表明，屏栅孔径对束流引出能力、束流发散角、CEX离子截获电流以及鞍点电势都有影响，随着屏栅孔径的增加，束流引出能力、束流发散角和鞍点电势呈上升趋势。加速栅孔径的变化对CEX离子得能量分布有影响，随着加速栅孔径的增大，截获的高能CEX离子逐渐减少，而随着加速栅厚度的增加，束流发散角、CEX离子的截获数量和能量呈上升趋势。在8000 s比冲下，加速级间距的改变对束流引出能力影响较小。另外，比冲对离子光学系统性能也有影响，比冲越高，束流发散角越小，且加速栅截获的CEX离子也越少。

为了研究离子推力器工作参数对输出特性的影响,通过离子推力器工作性能参数的理论计算公式,建立起离子推力器输入参数与输出参数的Simulink控制模型,根据模型分别对我国研制的30 cm口径以及20 cm口径离子推力器的工作输出参数进行了理论计算,并通过推力测量试验对理论值进行了比对和分析。比对结果表明: 在推力理论计算过程中引入二价Xe离子比率和束流密度分布推力修正,以及推力均方误差修正后,推力理论值与实测值符合性较好,计算误差小于1 mN,证明了推力修正方法的合理性。

为探索放电室能量损耗机制,开展了离子推力器放电室能量平衡研究.基于放电室零维模型,得到放电室电流平衡关系,结合放电室电势分布,分析放电室能量损耗并建立了能量平衡模型.应用模型计算LIPS200离子推力器放电室各项能量损耗,并进一步得到各能量损耗所占比例,所得结果与国外离子推力器NEXT具有较好的一致性;采用多工况试验参数(阳极电流4.0~4.4 A,阳极电压34~38 V)对放电室总能量损耗进行动态验证,结果表明:计算结果与试验结果误差小于3%.

为了优化20 cm离子推力器放电室内部推进剂供气方式, 研究了在不发生气体放电时, 推力器阳极和主阴极供气接口处的流体速度和压强, 并以此开展推力器放电室内部的流场计算。结果表明: 采用单阳极供气管方式, 阳极出口处压强为4~158 Pa, 气流出口速度为0.1~47 m/s；阴极小孔出口处的压强约为33.1 Pa, 出口速度约为12 m/s；考虑真空系统的返流作用时, 单阳极供气管方式下放电室内部压强为0.001~0.4 Pa, 大部分区域Xe原子数密度为(0.2~3)×1018/m3, 在靠近栅极的部分区域数密度达到9×1019/m3左右；在增加阳极组件的供气管数量后, 阳极的气体出口速度为18~40 m/s, 放电室压强为0.03~0.1 Pa, 大部分区域Xe原子数密度为(0.72~2.4)×1019/m3, 靠近阳极与主阴极进气端的小部分区域原子数密度约2×1017/m3, 且放电室内部原子密度整体分布较为均匀。

为了对霍尔推力器的热分析研究提供准确的能耗加载条件,开展了霍尔推力器稳态工况下的热模型研究。基于等离子体理论,分析放电室内各项能量损耗机理,并建立各能量损耗与推力器工作参数、性能参数和结构参数的相关函数,系统地得到了霍尔推力器的完整热模型。以LHT100推力器为研究对象,热模型计算结果显示: 额定工况下束流能量损耗约889 W,壁面能量损耗约300 W,阳极能量损耗约44 W,电离能量损耗约43 W,辐射能量损耗约34 W等。以此能量损耗作为热边界条件进行有限元分析,并开展热平衡试验进行验证,计算结果与试验结果吻合较好,最大误差小于5%。

为了对20 cm口径LIPS-200环形会切磁场离子推力器的热设计研究提出优化建议, 利用LIPS-200离子推力器内部放电能量沉积数学模型计算结果开展推力器的稳态和瞬态热分析, 并进行热平衡试验加以验证。结果显示: 当推力器处于稳态工作时, 其内部磁钢的温度分布是影响推力器热设计的关键因素, 而通过提高推力器内外部件的表面发射率, 可以使内部关键部件温度降低50~60 ℃, 相关热平衡试验验证结果与仿真分析结果基本吻合。

束流离子生产成本和推进剂利用率是表征离子推力器放电室性能的重要参数。在考虑不改变放电室几何结构、磁场分布并保持离子推力器比冲和效率的前提下，利用一维经验分析模型对兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200离子推力器放电室性能进行了优化分析，以实现推力器的推力从40 mN提高到60 mN的目标要求。分析结果表明，提高放电室推进剂流率至2.06 mg/s，放电室内放电电流维持在6.9 A，放电室内平均氙离子密度达到2.167×1017 m-3时，可以保证引出1.2 A的束流，推力器达到60 mN的推力。与之对应的推进剂利用率为92%，束流离子生产成本约为188.515 W/A，相比推力40 mN时，推进剂利用率为88%、束流离子生产成本为188.29 W/A的情况，放电室性能有所提高。另外，放电室性能优化过程中其鞘层电位始终保持在3.80~6.65 eV范围内。

针对一类带有未知死区和外来干扰的不确定机器人系统, 基于变结构控制原理, 采用简化的死区输入模型, 利用具有线性可调参数的模糊系统的逼近能力, 提出了一种积分变结构自适应模糊控制方案。该方案取消了要求逼近误差平方可积的条件, 同时利用Youngs不等式减少了模糊系统调节参数的数目, 从而降低了实现的复杂性。最后, 利用Lyapunov综合方法证明了闭环系统是半全局一致终结有界的, 并通过适当选取设计参数, 跟踪误差收敛到零的一个邻域内。仿真结果表明了该方案的有效性与实用性。

针对一类具有死区模型并且控制增益符号已知的不确定多输入多输出非线性时滞系统,基于滑模控制原理提出了一种稳定的自适应神经网络控制方案。该方案通过使用Lyapunov-Krasovskii泛函抵消了因未知时变时滞带来的系统不确定性。通过利用积分型李亚普诺夫函数,并且构造逼近连续函数,闭环系统证明是半全局一致终结有界。仿真结果表明了该方法的有效性。