空间行波管关键科学与技术问题的研究

空间行波管是各类卫星和航天器的核心部件。本项目旨在解决制约空间行波管实现高效率、长寿命和实用化的核心基础科学与技术问题。通过对电子注与电磁波的能量交换机理的深入理解，建立空间行波管高频慢波系统和电子注-波互作用的数理模型；深入研究空间行波管的各种非线性特性，给出有效抑制振荡、谐波和交调/互调失真的技术手段，提高空间行波管电子效率和副特性指标；基于多目标优化算法，开发空间行波管的一体化设计软件平台；研究互作用后电子的能量分布，增强降压收集极的能量回收能力，进一步提高空间行波管的整管效率；开展空间行波管辐射散热器的设计和实验验证，为通信和导航卫星用辐射冷却空间行波管的研制提供技术支撑；研究长寿命阴极关键技术、发射机理和蒸散特性等，为我国长寿命空间行波管的研制奠定基础。该项目的研究不仅具有重要的科学意义和学术价值，还可以解决我国军事和民用航天事业发展的急需，也具有重要的现实意义。

空间行波管是各类卫星和航天器的数传、导航和通信系统的核心部件。对制约空间行波管实现高效率、长寿命和实用化的核心基础科学与技术问题认识不够，是导致我国空间行波管技术水平长期落后的重要原因。针对空间行波管研究中基础性的难点或瓶颈问题，如电子注-波互作用、谐波和多信号工作时的交调/互调失真、“工作完了”的电子注的能谱分析、热传导、二次电子的产生及其倍增效应、辐射散热和长寿命阴极发射机理等的研究，可提高空间行波管的应用基础研究水平，为研制实用化的高性能空间行波管奠定基础，解决我国航天事业发展的亟需。. 主要成果包括：1、通过对电子注与电磁波的能量交换机理的深入理解，建立了空间行波管高频慢波系统和一/三维场论非线性电子注-波互作用的数理模型，提出了高效率多目标优化算法，采用全局和局部多变量优化算法相结合的方法，实现了高效率注-波互作用的快速设计优化，开发出了空间行波管的一体化设计软件平台。2、分析了行波管中非线性特性的产生机理，提出了空间行波管高效率互作用分布快速设计方法，并利用螺距凹坑、衰减器及螺距跳变渐变分布、输出位置指数渐变等技术来抑制二次谐波激励、返波振荡及相位失真和调幅/调相转换等副特性指标。3、在空间行波管多级降压收集极方面，通过对过渡区磁场、高效率结构和二次电子抑制的研究，提出了一种直爪型高效率多级降压收集极结构可抑制二次电子发射和提高收集效率；尝试从“收集能力”出发，设计失能电子注的台阶形分布函数，提高了空间行波管的整管效率。4、对空间行波管辐射冷却的机理、设计思想以及散热器基体和表面涂层材料进行了深入研究，研制出了辐射散热器样件，为辐冷型空间行波管的研制提供了技术支撑。5、研究了长寿命覆膜浸渍钡钨阴极电子发射机制、制备技术、蒸散特性和寿命机制等，研制出了长寿命阴极热子组件的样件，并已应用于整管研制。. 本项目实施过程中，在国内外重要学术期刊和国际会议上发表论文66篇，其中SCI论文22篇（包括本领域国际顶级期刊IEEE Trans. Electron Devices等），EI论文39篇。申请国家发明专利18项（授权4项），获计算机软件著作权14项。培养博士研究生10名、硕士研究生17名。主要成果已经在国家科技重大专项和航天型号任务中得到应用，先后获得了国家科技进步二等奖1项、国防科技一等奖1项、教育部科技进步一等奖1项。