【正文】 磁模式特點 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)用于地面實驗 空間運行 地面實驗和空間運行 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]。國際一流的航空與航天工業(yè)集團法國的斯奈克瑪與 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，實驗結(jié)果顯示 在 新 磁場設(shè)計下推力器的 推力有所提高，但是比沖和效率幾乎沒有變化 [12]。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 ，在空間運行的霍爾推力器一般采用自勵模式 。這些研究為勵磁模式霍爾推力器的理論研究工作的進(jìn)一步開展提供的研究方法和思哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計 論文 7 路，但研究仍然停留在他勵模式下磁場動態(tài)問題范疇內(nèi)。 本文主要研究內(nèi)容 本文主要的結(jié)構(gòu)是對自勵磁模式下的霍爾推力器盡心設(shè)計，主要包括從單獨勵磁的模式下轉(zhuǎn)換到自勵磁模式，需要安匝數(shù)的等效以及等效完成后，一般是內(nèi)線圈的匝數(shù)會變得很多，由于內(nèi)線圈受空間的限制，所以就涉及到怎樣解決內(nèi)線圈空間的問題，可操作性比較強的主要是將磁芯打薄，再打薄后磁芯變細(xì)，因此需要計算磁芯工作時的應(yīng)力問題、熱問題、漏磁問題等一系列問題，而在本文的第三章主要介紹了自勵磁模式下的霍爾推力器工作區(qū)域的研究，通過第二章的研究發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前 ATON發(fā)動機上有些工況是不能進(jìn)行轉(zhuǎn)換成自勵磁模式的，因此，我們在此對 ATON發(fā)動機找到了一個能轉(zhuǎn)換為自勵磁模式的區(qū)域，然后針對某個工況點在自勵磁模式下與單獨立此模式下進(jìn)行了研究與對比，在最后一章里，我們主要是通過實驗在自勵磁模式下的放電回路中并入一些電子元件，如電阻、電容，觀察對發(fā)動機振蕩的影響，以此來進(jìn)一步提高發(fā)動機的性能，使其工作更趨于穩(wěn)定。 但在地面實驗室研究階段， ATON一共需要 5個電源，陰極加熱電源，放電電源和 3個勵磁電源 (因為 ATON有 3個勵磁線圈 )。 因此，必須采取措施，解 決磁場強度強度不夠的問題。圓柱形真空罐直徑 ，長 4m，配備有兩個油擴散泵和三個機械泵，見 圖 22。 FEMM是一款用于計算給定磁路系統(tǒng)下磁場位形的有限元分析軟件，專門用于電磁方面的二維平面或軸對稱模型的分析。 入界面如圖 23所示，左側(cè)和上方的工具欄用于定義材料屬哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計 論文 10 性、加載情況等，右側(cè)的窗口顯示用戶定義的模型和求解結(jié)果，用戶可采用輸入坐標(biāo)或直接采用鼠標(biāo)的方式建模。 高斯計的使用與介紹 ATON 通道內(nèi)的磁場測量能指導(dǎo)磁場設(shè)計，是磁場設(shè)計中必不可少的輔助手段。 421 型高斯計有 RS232C 串行接口，可通過計算機顯示測量結(jié)果，并對測量結(jié)果進(jìn)行處理，此外，還具有最大值保持、自動濾掉地磁場影響、超過量程自動報警等功能。 0 . 0 3 0 W 圖 27 徑向探頭 其使用步驟大致如下： (1)將探頭“調(diào)零”，消除地磁場的影響； (2)固定探頭，確定基準(zhǔn)點； (3)確定探頭測量起點和終點； (4)選擇量程，進(jìn)行測量； (5)拆卸探頭。 ? ?1 1 1 0 % 1 2 3XX? ? ? ? ? ? (21) 可解之得： 21X? (22) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計 論文 14 圖 29 ATON 發(fā)動機磁芯示意圖 由此可知軸向可并排繞 21 匝線圈，由此可設(shè)當(dāng)磁芯半徑為 r 時，總共可繞N 咋線圈，可得如下公式： 1 .1 1 7 .5 2 1 2 1 1 * 1 .1 1 7 .52 1 2 1Nr N ZNNrZ? ? ? ???? ????? ? ? ? ?????? ????? (23) 由上式可計算出當(dāng)內(nèi)磁芯所繞匝數(shù)為 273圈時，磁芯的最終半徑變?yōu)?，因此內(nèi)磁芯需要打薄 ， 圖 210是打薄到半徑為 FEMM軟件的模擬情況。 （二） 關(guān)于漏磁的分析 磁芯打薄后必然存在漏磁的影響，如圖 216 所示為打薄不同厚度時的中心通道處的磁感應(yīng)強度，通過圖 216 可以看出，當(dāng)磁芯半徑打薄到 3mm 時，其通道中心的最大磁感應(yīng)強度從 減少到 ，而發(fā)動機通道中心的最大磁感應(yīng)強度對發(fā)動機的工作效率有著很大的影響， 當(dāng)通道中心變?yōu)?時，不足以使發(fā)動機工作在一個高效率的狀態(tài)下，于是我們進(jìn)行了實驗驗證，但是，很遺憾，實驗時，限流現(xiàn)象嚴(yán)重，發(fā)動機工作很不穩(wěn)定，于是我們想到了主要原因是由于通道中心最大磁場強度達(dá)不到預(yù)想的強度，出于科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊幻?，我們用高斯計對發(fā)動機的通道中心的磁場強度進(jìn)行了測量，圖 217 和 218，分別表示用 1J22 材料加工的磁芯半徑分別為 3mm和 7mm 時，線圈內(nèi)分別通一下電流 ： ① I1=， I2=， I3=0A② I1=， I2=35A， I3=0A③ I1=6A， I2=， I3=0A 0 20 40 60 80 100 120050100150200250300350400450500通道中心的軸向距離 Z / m m通道中心最大磁感應(yīng)強度B/G 1 J 2 2 半徑為 7 時半徑為 6 時半徑為 5 時半徑為 4 時半徑為 3 時 圖 217 發(fā)動機通道中心的磁感應(yīng)強度 圖 218中線圈的匝數(shù)為 N1=105， N2=270， N3=137。但是，在此我們想到哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計 論文 22 了，原來發(fā)動機型譜化的設(shè)計磁芯的內(nèi)徑也是有一定根據(jù)的，太細(xì)就會導(dǎo)致漏磁現(xiàn)象嚴(yán)重，而太粗就會使所繞的線圈匝數(shù)變少導(dǎo)致通道中心的磁場強度變小，因此漏磁與所繞線圈匝數(shù)之間有一個優(yōu)化點，而不是人們所認(rèn)為的只是簡單的與引進(jìn)的磁芯進(jìn)行同比例縮放就行了，由此可以推廣到別的型號的發(fā)動機，在做型譜化的設(shè)計時就應(yīng)該通過實驗以及軟件模擬等方法找出這個優(yōu)化點，由此以前那個簡單縮放的時代可以逐漸的邁向理論的時代，但是這個過程人們進(jìn)一步的探索，但是我們堅信我們肯定會克服各種 困難的。但由于 SPT 推力器推力較小（ 200mN），載荷單元不夠精確，所以一般采用位移測量法 [15]。 工質(zhì)的平均噴出速度： Tm?? （ T －推力） (32) 比沖：SP gTI m? （ g －重力加速度） (33) 效率： 2PT? ?? (34) （ P －系統(tǒng)消耗的總能量，其中包括陰極放電和產(chǎn)生磁場所消耗的部分） 自勵磁霍爾推力器工作區(qū)域研究 對于自勵磁霍爾推力器工作區(qū)域的研究，主要是通過實驗，測出一些工況點，然后利用 matlab 軟件對其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，做出二維坐標(biāo)圖，通過觀察和一些相應(yīng)的理論分析，總結(jié)出一些規(guī)律，找出在 ATON 發(fā)動機上可以轉(zhuǎn)換為自勵磁的一個大致的規(guī)律和區(qū)域。 實驗?zāi)康氖峭ㄟ^對發(fā)動機磁安特性曲線上各個工況點的分析，找出 ATON發(fā)動機可以轉(zhuǎn)換為自勵磁的 區(qū)域。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計 論文 28 100 150 200 250 300 350 400 450 5003540455055606570通道中心的最大磁感應(yīng)強度 B / G推力器的推力T/mN 2 m g / s2 . 5 m g / s3 m g / s 圖 36 放電電壓為 400V 時的推力 100 200 300 400 500 600 700 80055565758596061通道中心最大磁感應(yīng)強度 B / G推力器的推力T/mN 圖 37 放電電壓為 500V 時的推力 圖 38 ATON 發(fā)動機的轉(zhuǎn)化區(qū)域劃分 A B C 通道中心的磁場強度 B/G 回路中的放電電流 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計 論文 29 小結(jié) 本章主要對在 ATON 發(fā)動機上轉(zhuǎn)換為自勵磁模式的工作特性區(qū)域進(jìn)行的分析，通過大量的實驗，從不同的角度研究其工作特性區(qū)域，本文主要通過其磁安特性曲線曲線根據(jù)其推力、效率、以及內(nèi)線圈可繞線圈匝數(shù)來初步劃 定了這個可以轉(zhuǎn)換為自勵磁模式的區(qū)域，通過分析可以得出，磁安特性曲線大致成盆型結(jié)構(gòu)，最低點為推力器的最優(yōu)工況點，在最優(yōu)工況點右面的工況在 ATON 發(fā)動機上目前不能轉(zhuǎn)換為自勵磁模式，而最優(yōu)工況點左面的區(qū)域只看內(nèi)線圈繞線的情況是可以轉(zhuǎn)換為自勵磁模式的，但是當(dāng)勵磁電流（即放電電流）很小時，通道內(nèi)磁場強度會很小，因此推力器的效率就會很小，因此在 ATON 發(fā)動機上只有最優(yōu)工況點左面一定的區(qū)域內(nèi)可以轉(zhuǎn)換為自勵磁模式，而對于最優(yōu)工況點，基本上不能轉(zhuǎn)換為自勵磁模式，在第四章中我們將會對推力器的在自勵磁模式下的某個工況 點進(jìn)行分析研 究以及對推力器的低頻振蕩進(jìn)行了 初步探索。 實驗結(jié)果 實驗首先將在在相同質(zhì)量流量下對比了單獨勵磁與自勵磁模式下相同工況點的推力器的性能（效率、推力、比沖、放電電流等），圖 4 4 4 46表示在質(zhì)量流量為 ，推力器性能的對比： 300 350 400 450 500 550 6003840424446485052U p （ V ）Efficiency（%）m a = 2 m g / s S e l fS e p a r a t e300 350 400 450 500 550 60032343638404244464850U p （ V ）Thrust（mN）m a = 2 m g / s S e l fS e p a r a t e 圖 43 效率 與 放電電壓 圖 44 推力與放電電壓 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計 論文 32 300 350 400 450 500 550 600160017001800190020xx210022002300240025002600U p （ V ）Isp（s）m a = 2 m g / s S e l fS e p a r a t e300 350 400 450 500 550 60022 . 12 . 22 . 32 . 42 . 52 . 62 . 72 . 82 . 93U p （ V ）Id（A）m a = 2 m g / s S e l fS e p a r a t e 圖 45 比沖與放電電壓 圖 46 放電電流與放電電壓 為便于 不同勵磁模式下的性能做對比， 我們又依次 分析了 質(zhì)量流量為， 3mg/s， ， Ma= mg/s 時 ： 300 350 400 450 500 550 60038404244464850525456U p （ V ）Efficiency（%）m a = 2 . 5 m g / s S e l fS e p a r a t e300 350 400 450 500 550 6003540455055606570U p （ V ）Thrust（mN）m a = 2 . 5 m g / s S e l fS e p a r a t e 圖 47 效率與放電電壓 圖