【正文】 放電電流作為勵(lì)磁電流引入勵(lì)磁系統(tǒng)形成磁場(chǎng)，減少電能變 換器的個(gè)數(shù)，簡(jiǎn)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 。對(duì)于電磁線圈結(jié)構(gòu)的 霍爾推力器 可運(yùn)行于他勵(lì)模式和自勵(lì)模式下。但是電推進(jìn)系統(tǒng)會(huì)增加電源模塊，這對(duì)可靠性提出了更高的要求。 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 。美國(guó)、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。推力器的磁場(chǎng)位形及磁感應(yīng)強(qiáng)度是影響其性能的主要因素之一，通常實(shí)驗(yàn)室條件下采用的是單獨(dú)勵(lì)磁的模式，而在實(shí)際航天應(yīng)用 通常采 用的是自勵(lì)磁的模式，這樣可以大大的減少推力的重量與其所攜帶的電源 數(shù)量，因此也大大的提高了其工作穩(wěn)定性，本文主要是針對(duì)由單獨(dú)勵(lì)磁轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁時(shí)進(jìn)行了初步的探索，首先對(duì)單獨(dú)勵(lì)磁轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁時(shí)內(nèi)線圈的空間問(wèn)題進(jìn)行了軟件仿真與實(shí)驗(yàn)研究，然后根據(jù)其結(jié)果我們找出了在 ATON 機(jī)型上能夠轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)針對(duì)某一工況點(diǎn)在單獨(dú)勵(lì)磁模式下與自勵(lì)磁模式下的工作特性進(jìn)行了對(duì)比分析，最后我們對(duì)自勵(lì)磁霍爾推力器放電穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了探索性研究 。霍爾推力器具有高效率、高比沖以及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，自從 1970 年成功研制以來(lái)，已經(jīng)廣泛用于各種實(shí)際飛行任務(wù)，成為世界各航天大國(guó)電推進(jìn)裝置研究中的熱點(diǎn)， 而當(dāng)前我國(guó) 在這方面的研究存在很大的空缺，為此哈爾濱工業(yè)大學(xué)等離子推進(jìn)技術(shù)研究所從俄羅斯引進(jìn)了 ATON 型霍爾推力器 ，并對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。 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(zhǎng)、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。霍爾推力器是利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同作用將電能轉(zhuǎn)換為工質(zhì)動(dòng)能的一種功能轉(zhuǎn)換裝置。 同時(shí)， 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。 推力器 放電通道內(nèi)磁場(chǎng)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。而在他勵(lì)模式下，每個(gè)勵(lì)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(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)勵(lì)磁線圈電流，可以改變磁場(chǎng)大小及位形，從而可以更好的研究磁場(chǎng)對(duì)霍爾推力器放電的影響 。 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(chǎng)和沿軸向方向的電場(chǎng)。 作為一種典型的磁約束等離子體放電裝置，磁場(chǎng)在其工作過(guò)程占有極其重要的基礎(chǔ)物理地位。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 3 勵(lì) 勵(lì)勵(lì) 勵(lì)BB勵(lì) 勵(lì)勵(lì) 勵(lì)勵(lì) 勵(lì)E勵(lì) 勵(lì)勵(lì) 勵(lì)勵(lì) 勵(lì)勵(lì)勵(lì)勵(lì)勵(lì)勵(lì) 勵(lì)勵(lì) 勵(lì)勵(lì) 勵(lì)+_+_勵(lì) 勵(lì)勵(lì) 勵(lì) 勵(lì) 勵(lì)勵(lì) 勵(lì)勵(lì) 勵(lì)勵(lì) 勵(lì)E 圖 11 霍爾推力器結(jié)構(gòu)示意圖 (1) 永久磁鐵勵(lì)磁 由相似設(shè)計(jì)理論，推力器所需磁場(chǎng)與推力器尺寸成反比，這樣對(duì)于小尺寸的推力器，電磁線圈勵(lì)磁結(jié)構(gòu)不能滿足要求。 圖 12所示 為采用永久磁鐵勵(lì)磁的霍爾推力器結(jié)構(gòu)示意圖。 b、自勵(lì)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(lì)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(shí)放電電流即線圈勵(lì) 磁電流。 電磁線圈勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)如下： (1)相比永久磁鐵勵(lì)磁，會(huì)產(chǎn)生更多的熱量。他勵(lì)模式下，磁場(chǎng)由電磁線圈產(chǎn)生，盡管主放電回路與勵(lì)磁線圈回路之間物理隔離，但放電與磁場(chǎng)振蕩之間存在電磁感應(yīng)空間耦合效應(yīng)，此時(shí)磁場(chǎng)為準(zhǔn)靜態(tài)。 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(duì)位置以及磁屏改變后對(duì)磁場(chǎng)位形的影響，并測(cè)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(zhǎng)度最短，磁屏在磁路中的主要作用 在于改變通道中磁場(chǎng)的彎曲程度 [6]。 圖盧茲 大學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值仿真研究磁場(chǎng)形貌對(duì)推力器壽命及運(yùn)行工況的影響，磁場(chǎng)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(chǎng)分布，進(jìn)而影響振蕩強(qiáng)度[13]。 盡管自勵(lì)模式霍爾推力器相對(duì)他勵(lì) 模式具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但由于其內(nèi)部耦合過(guò)程相對(duì)復(fù)雜針對(duì)自勵(lì)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(lái)等離子體中的各種耦合現(xiàn)象一直受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注和研究，在電推進(jìn)研究領(lǐng)域國(guó)際上一些學(xué)者和機(jī)構(gòu)也開始從動(dòng)態(tài)和耦合的角度研究霍爾推力器的磁場(chǎng)問(wèn)題，方向直指自勵(lì)模式霍爾推力器應(yīng)用的基礎(chǔ)理論研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)等離子推進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 20xx年在國(guó)際上報(bào)道了 他勵(lì)模式下勵(lì)磁回路與放電回路由于電磁感應(yīng)形成耦合振蕩的現(xiàn)象 ，探索了 動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)與等離子體相互作用的 研究思路。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 8 第 2 章 自勵(lì)磁霍爾推力器設(shè)計(jì) 引言 在實(shí)際航天應(yīng)用中， 霍爾推力器 穩(wěn)態(tài)工作時(shí)只需一個(gè)電源，但在啟動(dòng)時(shí)，需要另一個(gè)電源來(lái)預(yù)熱陰極和為啟動(dòng)器充電。那么為了適應(yīng)實(shí)際航天應(yīng)用的需要，必然要求把 3個(gè)勵(lì)磁線圈與主放電回路串聯(lián)起來(lái)工作，并只用一個(gè)電源供電?？梢哉f(shuō)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)工作 ，是 ATON由實(shí)驗(yàn)室研究階段邁向?qū)嶋H航天應(yīng)用的第一步嘗試。 工作狀態(tài)下真空罐內(nèi)壓力為 3 103Pa左右。其主要應(yīng)用于靜電分析；線性、非線性靜磁分析；瞬態(tài)、諧波磁場(chǎng)分析。 圖 23 輸入界面 輸出界面如圖 24 所示，輸出即可采用圖線形式也可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出形成 TXT文檔。 ATON 通道內(nèi)的磁場(chǎng)位形 歸結(jié)為兩個(gè)方面： (1)磁場(chǎng)強(qiáng)度沿通道軸向的分布； (2)磁力線形貌。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 12 圖 25 421 型高斯計(jì) 高斯計(jì)需要配 合霍爾探頭使用， 421 型高斯計(jì)附帶的探頭分為軸向探頭 (axial probe，型號(hào) MNA1904VH)和徑向探頭 (transverse probe，型號(hào) MNT4E04VH)兩種，分別見(jiàn) 圖 26 和 圖 27， 軸向探頭用于測(cè)量軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度，徑向探頭用于測(cè)量徑向磁場(chǎng)強(qiáng)度。 自勵(lì)磁霍爾推力器磁場(chǎng)等效 在實(shí)驗(yàn)室條件下，霍爾推力器的勵(lì)磁方式都是單獨(dú)勵(lì)磁，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)增加勵(lì)磁線圈的電流來(lái)增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度，但是在航天領(lǐng)域中要進(jìn)行自勵(lì)磁的轉(zhuǎn)換，即將三個(gè)線圈的串聯(lián)到放電回路中去，這樣就可以少攜帶三個(gè)電源，大大減少了霍爾推力器的本身的重量，而且研究發(fā)現(xiàn)在自勵(lì)磁模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)的低頻振哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 13 蕩相對(duì)于單獨(dú)勵(lì)磁模式被很好的抑制了，但是，一般情況下線圈的電流被 調(diào)的很大以此增加通道內(nèi)磁場(chǎng)的強(qiáng)度，其內(nèi)磁芯如圖 28所示，由于附加線圈所繞線圈匝數(shù)比較少，所以在轉(zhuǎn)化為勵(lì)磁磁模式時(shí)，所增加的線圈匝數(shù)在附加線圈 可以繞下，但是內(nèi)磁芯往往在單獨(dú)勵(lì)磁模式下電流就已經(jīng)很大，所以通過(guò)安匝等效 N1I1=N2I2公式，發(fā)現(xiàn)當(dāng)初始電流 I1很大時(shí)，由于足在轉(zhuǎn)化為自勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁電流就是回路中的放電電流，一般情況下勵(lì)磁電流 Im大于放電電流 Id，所以當(dāng)轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式時(shí)，線圈匝數(shù)必定增多，才能保證他們的安匝數(shù)相等。 圖 210 Q235 半 徑為 時(shí)磁場(chǎng)分布 由 圖 210可以看出在使用 Q235作磁芯材料時(shí)，磁芯內(nèi)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá) Q235的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為 ，所以當(dāng)磁芯打薄到半徑為 出現(xiàn)嚴(yán)重的磁飽和現(xiàn)象，故此時(shí) Q235已不可取，因此必須換一種飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度更大的材料，航天領(lǐng)域中，一般用高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的軟磁合金材料 1J22，D d L 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 15 如圖 211是用 FEMM軟件對(duì) 1J22材料的磁場(chǎng)仿真模擬，磁場(chǎng)中的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為 ， 1J22材料的最大飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為 ，因此還沒(méi)有磁飽和， 居里點(diǎn)也很高 980℃ ，而發(fā)動(dòng)機(jī)工作室最高點(diǎn)的溫度在 800℃ 左右，沒(méi)有超過(guò)居里點(diǎn)，因此溫度對(duì)材料磁性的影響可以忽略不計(jì)。圖 219線圈的匝數(shù)為N1=105， N2=172， N3=81。 本章小結(jié) 通過(guò)本章 的分析可知，傳統(tǒng)的觀念中， ATON 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型要想轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?lì)磁模式受空間限制，因此我們想到了將磁芯打薄，但是由于傳統(tǒng)的 Q235 材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度很低只有 ，于是我們將材料換為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度更高的軟磁材料 1J22（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 ），但是事情沒(méi)有按照我們想象的去 發(fā)展，將磁芯打薄到我們想要的厚度時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很棘手的新問(wèn)題 —— 漏磁問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分析后，目前這個(gè)問(wèn)題很難解決，所以在 ATON 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型上有些工況是不能轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式的（轉(zhuǎn)換后線圈匝數(shù)增多的工況），在第三章中 我們將對(duì)這個(gè)區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的劃分。如圖 31 所示： 圖 31 推力器的推力測(cè)量裝置 采用鐘擺測(cè)量原理，推力器安裝于懸浮的推力臺(tái)上，測(cè)量過(guò)程中，用渦流式氣敏元件（靈敏性高，線性化好）探測(cè)推力器的位移， 用砝碼和偏置尖底設(shè)備進(jìn)行推力校準(zhǔn)。 實(shí)驗(yàn)的方法與測(cè)量結(jié)果 （一）實(shí)驗(yàn)方法 本實(shí)驗(yàn)是對(duì)原 ATON 霍爾推力器更換了 內(nèi)磁芯 下進(jìn)行的， 其他推力器上的部件均為改變。 （二） 實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 25 針對(duì)于 ATON發(fā)動(dòng)機(jī)能轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式的區(qū)域的劃分，我們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，利用 matlab對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)分析找出其中的一些規(guī)律， 附表一是放電電壓為 300V時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的幾個(gè)工況點(diǎn)的性能值，由于磁安特性曲線是反映發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要曲線，因此我們先根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)將放電電壓為 300V時(shí)的 曲線作出來(lái)，由此來(lái)觀察在伏安特性曲線上可以轉(zhuǎn)為自勵(lì)磁模式的區(qū)域， 圖 32是放電電壓為 300V時(shí)所作的磁安特性曲線，圖中帶‘ ’的點(diǎn)是說(shuō)明能轉(zhuǎn)化為自勵(lì)磁的工況點(diǎn)，未標(biāo)注的點(diǎn)是不能轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式的 點(diǎn)，我們?cè)儆^察放電電壓為 400V時(shí) ATON發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)情況，附表二是發(fā)動(dòng)機(jī)在放電電壓在 400V時(shí)的實(shí)驗(yàn)情況，據(jù)此我們首先做出其磁安特性曲線如圖 33所示，而對(duì)于放電電壓為500V時(shí)，由于放電電壓很大，且磁安特性曲線的右側(cè)上升的比較緩慢，因此在增大勵(lì)磁電流時(shí)，回路中的放電電流增加的不明顯，為了更好的分辨開磁安特性曲線右邊的點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)我們加大了勵(lì)磁電流，但是 非常 不幸運(yùn)，但勵(lì) 磁電流增大到 ，內(nèi)線圈被燒斷了，因此放電電流為 500V時(shí)我 們只測(cè)了一組數(shù)據(jù)如附表三所示，同樣我們做出其磁安特性曲線，并用‘ ’標(biāo) 記能轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁的點(diǎn)，如圖 34所示，通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)根本不是想象到的那樣，本來(lái)一天的實(shí)驗(yàn)往往會(huì)做好幾天，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這樣或者那樣的問(wèn)題，而且有的東西還需要熟能生巧，比如好的工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)，這是個(gè)很有技術(shù)的活，雖然看似簡(jiǎn)單，但是往往需要我們多動(dòng)手去調(diào)，量變總會(huì)引起質(zhì)變的， 100 200 300 400 500 600 7002 . 533 . 544 . 555 . 56通道中心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度 B / G示值電流I/A放電電壓 300V 4 m g / s3 . 5 m g / s3 m g / s2 . 5 m g / s 圖 32 放電電壓為 300 的磁安特性曲線 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 26 100 150 200 250 300 350 400 450 5001 . 522 . 533 . 544 . 555 . 56通道中心最大磁感應(yīng)遷都 B / G相應(yīng)工況點(diǎn)的示值電流I/A放電電壓 400V 2 m g / s2 . 5 m g / s3 m g / s 圖 33 放電電壓為 400V 的磁安特性曲線 100 200 300 400 500 600 700 8002 . 62 . 833 . 23 . 43 . 63 . 84通道中心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度 B / G相應(yīng)工況點(diǎn)的示值電流I/A放電電壓 500V 2 . 5 m g / s 圖 34 放電電壓為 500V 的磁安特性曲線 且實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中我們一定要耐心而且要學(xué)會(huì)積極應(yīng)變的能力，其實(shí)有的時(shí)候?qū)嶒?yàn)根本不是按 照我們?cè)O(shè)想的路線去發(fā)展，尤其是探索性的實(shí)驗(yàn)，因此我們要隨時(shí)的變換我們的思維去想象一些我們從沒(méi)想過(guò)的思路。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 30 第 4 章 自勵(lì)磁霍爾推力器 工作特性 與穩(wěn)定性分析 引言 上一章我們對(duì) ATON 發(fā)動(dòng)機(jī)可以轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式的區(qū)域進(jìn)行了劃分，在本章中我們針對(duì)某個(gè)工況轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式對(duì)其進(jìn)行工作特性的研究， 實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同流量，不同放電電壓下自勵(lì)與他勵(lì)性能差異 ，通過(guò)對(duì)比弄清一些自勵(lì)磁模式下工作特性的規(guī)律，單獨(dú)勵(lì)磁下推力器工作時(shí)低頻振蕩比較明顯，而實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁時(shí)推力器的低頻振蕩會(huì)明顯低于單獨(dú)勵(lì)磁的模式下，在第三節(jié)中我們針對(duì)自勵(lì)磁模式下推力器的低頻振蕩進(jìn)行的一些研究與探索， 希望能通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出一些影響推力器低頻振蕩的