【正文】 ................................................... 37 小結(jié) .............................................................................................................. 40 結(jié) 論 ........................................................................................................................ 41 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................... 43 致 謝 ........................................................................................................................ 44 附 錄 ........................................................................................................................ 45 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 1 第 1 章 緒論 課題的來源以及研究的目的和意義 課題的來源 本課題來源于國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《自勵 模式霍爾推力器勵磁放電閉環(huán)耦合效應(yīng)研究》 。 研究的目的和意義 隨著航天技術(shù)的發(fā)展和人類航天任務(wù)的不斷增加，航天器要求推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量更輕、體積更小和 效率更高，因此比沖高、壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小和污染輕的電推進(jìn) 受到航天界的注意和青睞。美國、俄羅斯、歐空局和日本在電推進(jìn)的研究和應(yīng)用方面獲得了巨大成功，不同類型和不同特點(diǎn)的電推進(jìn)在空間航天器上得到了廣泛應(yīng)用。在需求牽引和其它技術(shù)發(fā)展的支持下，各國都制訂了龐大的電推進(jìn)研究應(yīng)用計(jì)劃，一方面提高現(xiàn)有電推進(jìn)系統(tǒng)的性能和可靠性；另一方面加緊新型電推進(jìn)技術(shù)的研究，電推進(jìn)在未來航天任務(wù)中的應(yīng)用前景將更為廣闊 [1]。 霍爾推力器 (Hall Thruster)作為一種典型的電推進(jìn)裝置，以其效率高，工作壽命長，功率密度高，比沖適中等優(yōu)點(diǎn)引起世界各航天大國的廣泛關(guān)注并成為航天推進(jìn)領(lǐng)域研究和投入的熱點(diǎn)方向。霍爾推力器是利用電場和磁場共同作用將電能轉(zhuǎn)換為工質(zhì)動能的一種功能轉(zhuǎn)換裝置。 由于其 與傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)相比，電推 進(jìn) 系統(tǒng)的比沖比化學(xué)推進(jìn)高出幾倍，甚至十幾倍，能減少攜帶推進(jìn)劑的質(zhì)量 ，可以提高衛(wèi)星有效載荷，增加衛(wèi)星經(jīng)濟(jì)效益 。 從霍爾推力器的發(fā)展歷史看 ， 每一次標(biāo)志性的進(jìn)步，無不伴隨著磁場設(shè)計(jì)技術(shù)瓶頸的突破，如上世紀(jì)50 年代末提出的 “ 正 梯度 ” 磁場位形（推力器效率由 20%— 30%提高到近 40%）、磁路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 中 將寬磁極變?yōu)檎艠O以提高軸向磁場梯度（推力器效率從 40%提高到 50%左右）、通過位于推力器底部的附加線圈在陽極附近構(gòu)造 “ 零磁場 ”區(qū)（推力器效率從 50%左右提高到 55%）、將底部附加線圈移至內(nèi)鐵心上以進(jìn)一步提高軸向磁場梯度（推力器效率從 55%左右提高到 65%）。 目前，霍爾推進(jìn)器的勵磁方式主要是他勵方式，但是其低頻振蕩大，而自勵磁的方式卻很好的抑制了這一點(diǎn)，因此隨著航天技術(shù)的發(fā)展，對霍爾推進(jìn)器的要求勢必越來越高，因此對自勵磁方式的研究也必 將納入正軌。 同時， 與化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)相比，電推進(jìn)系統(tǒng)可 攜帶 更少的推進(jìn)劑，相應(yīng)地可大大提高有效載荷。但是電推進(jìn)系統(tǒng)會增加電源模塊，這對可靠性提出了更高的要求。對于電推進(jìn)系統(tǒng)，推進(jìn)劑重量會由系統(tǒng)壽命等要求確定，如果能夠簡哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 2 化電源模塊、減小電源模塊重量，則可進(jìn)一步提高有效載荷。同時由于電源的簡化也會提高整個電推進(jìn)系統(tǒng)可靠 [2]。 推力器 放電通道內(nèi)磁場既可以由高磁能積的永久磁鐵產(chǎn)生，也可以由電磁鐵在電磁線圈中通電流產(chǎn)生。對于電磁線圈結(jié)構(gòu)的 霍爾推力器 可運(yùn)行于他勵模式和自勵模式下。這三種勵磁方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同類型的 推力器和場合。永久磁鐵勵磁主要通常應(yīng)用在在微小衛(wèi)星平臺上的小尺寸低功率推力器。而在他勵模式下，每個勵磁線圈都由單獨(dú)的直流電源供電， 這種模式最大的優(yōu)點(diǎn)是推力器在放電運(yùn)行過程中，通過調(diào)節(jié)每個勵磁線圈電流，可以改變磁場大小及位形，從而可以更好的研究磁場對霍爾推力器放電的影響 。自勵模式下，即把所有線圈串聯(lián)進(jìn)主放電回路當(dāng)中，工作時放電電流即線圈勵磁電流，與他勵模式相比，自勵模式可以節(jié)省三個電源，而且初步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自勵模式的低頻振蕩的影響非常小， 自勵模式霍爾推力器將放電電流作為勵磁電流引入勵磁系統(tǒng)形成磁場，減少電能變 換器的個數(shù)，簡化供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了衛(wèi)星的有效載荷、電能轉(zhuǎn)換效率和可靠性 。 霍爾推力器的勵磁模式 霍爾推力器是利用電場和磁場共同作用將電能轉(zhuǎn)換為工質(zhì)動能的一種功能轉(zhuǎn)換裝置。其結(jié)構(gòu) 如 錯誤 !未找到引用源。 所示，它一般具有中空共軸結(jié)構(gòu) ， 通道內(nèi)存在沿徑向方向的磁場和沿軸向方向的電場。陰極發(fā)射電子，電子群在向陽極運(yùn)動的過程中被磁場束縛并在通道內(nèi)作拉莫爾回旋運(yùn)動，在正交電磁場作用下形成沿圓周方向的定向閉環(huán)漂移運(yùn)動，同時被磁場束縛的電子群與注入 通道的中性推進(jìn)劑原子 (一般為具有較大原子質(zhì)量的惰性氣體，通常為氙氣 )之間發(fā)生碰撞，使中性原子電離產(chǎn)生離子和電子。這些電子一方面用來提供電流，維持放電，另一方面繼續(xù)電離中性原子。由于離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，具有較大的拉莫爾半徑 (通常是米的數(shù)量級 )，而推力器通道長度一般只有幾厘米，因此離子幾乎不受通道內(nèi)磁場的影響，在軸向電場作用下高速噴出，產(chǎn)生反作用力為航天飛行器提供動力。 作為一種典型的磁約束等離子體放電裝置，磁場在其工作過程占有極其重要的基礎(chǔ)物理地位。推力器 放電通道內(nèi)磁場既可以由高磁能積的永久磁鐵產(chǎn)生，也可 以由電磁鐵在電磁線圈中通電流產(chǎn)生。對于電磁線圈結(jié)構(gòu)的 霍爾推力器 可運(yùn) 行于他勵模式和自勵模式下。這三種勵磁方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同類型的推力器和場合。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 3 勵 勵勵 勵BB勵 勵勵 勵勵 勵E勵 勵勵 勵勵 勵勵勵勵勵勵 勵勵 勵勵 勵+_+_勵 勵勵 勵 勵 勵勵 勵勵 勵勵 勵E 圖 11 霍爾推力器結(jié)構(gòu)示意圖 (1) 永久磁鐵勵磁 由相似設(shè)計(jì)理論，推力器所需磁場與推力器尺寸成反比，這樣對于小尺寸的推力器，電磁線圈勵磁結(jié)構(gòu)不能滿足要求。強(qiáng)磁場需要大的勵磁電流，會使線圈熔斷或者因?yàn)檫^熱而使線圈絕緣損壞，導(dǎo)致電路發(fā)生短路故障。在微小衛(wèi)星平臺上，小尺寸低功率推力器通常使用永久磁鐵勵磁。盡 管永久磁鐵不能調(diào)節(jié)磁場，但它有其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，例如 ： ① 無功率損耗，可提高推力器整體效率 ；② 減少推進(jìn)系統(tǒng)的質(zhì)量 ； ③ 降低溫度 ； ④ 減少復(fù)雜度，在一定程度上可提高可靠性 ； ⑤ 減少推力器的成本 ； ⑥ 無需勵磁電源。 圖 12所示 為采用永久磁鐵勵磁的霍爾推力器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中 SmCo為釤鈷永磁體，是霍爾推力器常用的永磁材料。 圖 12 永久磁鐵勵磁的霍爾推力器結(jié)構(gòu)示意圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 4 (2) 電磁線圈勵磁 對于功率范圍在 200W至 5KW的霍爾推力器，通常利用若干個電磁線圈去產(chǎn)生放電通道內(nèi)所需的磁場 ， 勵磁線圈分別由單獨(dú)穩(wěn)流直流源供電 ， 通道內(nèi)磁場為 所有勵磁線圈產(chǎn)生磁場的代數(shù)疊加 ， 勵磁線圈與導(dǎo)磁材料構(gòu)成霍爾推力器的勵磁系統(tǒng) ， 磁線圈勵磁的推力器可工作于他勵模式或自勵模式。 a、 他勵模式 在實(shí)驗(yàn)室中，通常電磁線圈勵磁結(jié)構(gòu)的推力器運(yùn)行在他勵模式下，即每個勵磁線圈由單獨(dú)的直流電流源供電，這種模式最大的優(yōu)點(diǎn)是推力器在放電運(yùn)行過程中，通過調(diào)節(jié)每個勵磁線圈電流，可以改變磁場大小及位形，從而可以更好的研究磁場對霍爾推力器放電的影響。 b、自勵模式 在實(shí)際航天應(yīng)用當(dāng)中，電磁線圈結(jié)構(gòu)的霍爾推力器需要運(yùn)行在自勵模式下，即把所有線圈串聯(lián)進(jìn)主放電回路當(dāng)中，工作時放電電流即線圈勵 磁電流。推力器點(diǎn)火之前，放電通道空間不存在所需磁場。自勵模式勵磁的優(yōu)點(diǎn)在于可以省去他勵模式中的對所有線圈勵磁的直流電流源，可以簡化電路提高推進(jìn)系統(tǒng)可靠性，電源的減少能夠增加衛(wèi)星系統(tǒng)的有效載荷。缺點(diǎn)在于推力器放電工作時，磁場不可 調(diào)節(jié)，在自勵 磁模式下 運(yùn)行時磁場應(yīng)該最優(yōu)化， 使 推力器工作在最優(yōu)放電工作點(diǎn)下。 電磁線圈勵磁結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)如下： (1)相比永久磁鐵勵磁，會產(chǎn)生更多的熱量。在真空特殊環(huán)境中，熱量累積會對推力系統(tǒng)和衛(wèi)星上其它設(shè)備產(chǎn)生影響； (2)如果因?yàn)殡娏鬟^大等原因而使線圈熔斷，會導(dǎo)致推力器失效； (3)存在線圈導(dǎo) 線絕緣問題，絕緣失敗也會使推力器失效。因?yàn)橛谰么盆F與電磁線圈勵磁各自優(yōu)缺點(diǎn)，也有相關(guān)研究結(jié)合二種勵磁方式以產(chǎn)生所需合適的磁場 [3]。 永久磁鐵勵磁模式下磁場由永久磁鐵產(chǎn)生，磁場為靜態(tài)，放電電流與磁場之間不存在耦合效應(yīng)。他勵模式下，磁場由電磁線圈產(chǎn)生，盡管主放電回路與勵磁線圈回路之間物理隔離，但放電與磁場振蕩之間存在電磁感應(yīng)空間耦合效應(yīng)，此時磁場為準(zhǔn)靜態(tài)。 自勵模式霍爾推力器將寬譜振蕩的放電電流引入勵磁系統(tǒng)作為勵磁電流產(chǎn)生磁場，由此形成了勵磁和等離子體放電的閉環(huán)反饋系統(tǒng) ?；魻柾屏ζ?不同勵磁模式物理 耦合過程示意圖 如 圖 13 所示 ， 不同勵磁模式特點(diǎn) 對比如 表 11 所示 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 5 表 11 不同勵磁模式特點(diǎn) 對比 電磁線圈勵磁 永久磁鐵勵磁 他勵模式 自勵模式 推 力器 200W–5KW 霍爾推力器 微小霍爾推力器 可控性 影響因素相對較少、可控性較好 勵磁與放電交互影響，影響因素多，物理過程復(fù)雜 磁場不受放電影響，磁場不可控，磁場應(yīng)設(shè)計(jì)為最優(yōu) 可靠性 電能變換器數(shù)量多，可靠性差 省去所有勵磁電源，可靠性高 無勵磁線圈，省去所有勵磁電源，可靠性高 有效載荷 供電系統(tǒng)、測控系統(tǒng)龐大，有效載荷低 降低供電系統(tǒng)質(zhì)量，有效 載荷高 降低供電系統(tǒng)質(zhì)量，有效載荷高 適用場合 多數(shù)用于地面實(shí)驗(yàn) 空間運(yùn)行 地面實(shí)驗(yàn)和空間運(yùn)行 圖 13 霍爾推力器 不同勵磁模式物理 耦合過程示意圖 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析 磁場對等離子體的影響無論在霍爾推力器研究還是其他磁約束等離子體裝置研究領(lǐng)域一直以來都是極其重要的學(xué)術(shù)方向 [4,5]。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 6 密西根 大學(xué)研究了 NASA173M推力器 出口處磁極形狀、相對位置以及磁屏改變后對磁場位形的影響，并測量了不同磁路結(jié)構(gòu)下的羽流發(fā)散角，結(jié)果表明最優(yōu)的磁路結(jié)構(gòu)形成的羽流聚焦長度最短，磁屏在磁路中的主要作用 在于改變通道中磁場的彎曲程度 [6]。 通過調(diào)節(jié)磁場該型號推力器及其改進(jìn)型號可以在高放電電壓下保持較好的性能參數(shù) [7,8]。普林斯頓 大學(xué) 的學(xué)者 針對小功率霍爾推力器效率較低的問題，提出了一種新的磁回路構(gòu)型以增大徑向磁場分量，提高電離率 [9]，有效的提高了他勵模式霍爾推力器的效率 ； 康奈爾 大學(xué)利用自建的霍爾推力器數(shù)學(xué)模型預(yù)測了磁場對于推力器羽流區(qū)的影響，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的較好 [10]。國際一流的航空與航天工業(yè)集團(tuán)法國的斯奈克瑪與 Fakel合作 [11]， 在陽極區(qū)域 增加 一個 “零磁場區(qū) ”， 成功研制出 性能優(yōu)于第一代霍爾推力器的 PPS1350，為了使 PPS1350可以在更高的放電電壓下運(yùn)行，研究人員在導(dǎo)磁底板與通道壁面之間的空間中增加了一個線圈用于產(chǎn)生更高的磁通 研制出 PPS1350的升級版本PPS1350MLM，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示 在 新 磁場設(shè)計(jì)下推力器的 推力有所提高，但是比沖和效率幾乎沒有變化 [12]。 圖盧茲 大學(xué)通過實(shí)驗(yàn)及數(shù)值仿真研究磁場形貌對推力器壽命及運(yùn)行工況的影響，磁場強(qiáng)度的分布影響等離子體放電振蕩的頻率，而改變零磁點(diǎn)在通道中的位置，可以影響通道中電場分布，進(jìn)而影響振蕩強(qiáng)度[13]。日本的 大阪 大學(xué)在 THT系列的推力器上做了磁場對放電 電流影響的實(shí)驗(yàn)，取得了很好的研究成果，實(shí)驗(yàn)表明放電電流對磁場形狀和磁場強(qiáng)度都很敏感 [14]。從地面研究的角度上看， 他勵模式 霍爾推力器可控性好， 提供了方便有效的研究磁場形貌、強(qiáng)度、分布對等離子體影響的實(shí)驗(yàn)條件 ；從航天應(yīng)用的角度上，自勵模式霍爾推力器可靠性高、有效載荷高逐步得到各航天應(yīng)用單位的認(rèn)可。美國的 INMA RSAT 4F1衛(wèi)星平臺的推進(jìn)系統(tǒng)使用 SPT100作為主推進(jìn)裝置，工作于自勵模式；霍爾推力器的發(fā)明人 ，在空間運(yùn)行的霍爾推力器一般采用自勵模式 。 盡管自勵模式霍爾推力器相對他勵 模式具有明顯的優(yōu)勢，但由于其內(nèi)部耦合過程相對復(fù)雜針對自勵模式霍爾推力器的理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于空間應(yīng)用快速發(fā)展的要求，多年來等離子體中的各種耦