【正文】 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計論文 30 第 4 章 自勵磁霍爾推力器 工作特性 與穩(wěn)定性分析 引言 上一章我們對 ATON 發(fā)動機可以轉(zhuǎn)換為自勵磁模式的區(qū)域進行了劃分，在本章中我們針對某個工況轉(zhuǎn)換為自勵磁模式對其進行工作特性的研究， 實驗對比了不同流量，不同放電電壓下自勵與他勵性能差異 ，通過對比弄清一些自勵磁模式下工作特性的規(guī)律，單獨勵磁下推力器工作時低頻振蕩比較明顯，而實驗研究發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)換為自勵磁時推力器的低頻振蕩會明顯低于單獨勵磁的模式下，在第三節(jié)中我們針對自勵磁模式下推力器的低頻振蕩進行的一些研究與探索，希望能通過實驗找出一些影響推力器低頻振蕩的因素。 實驗的方法與測量結(jié)果 （一）實驗方法 本實驗是對原 ATON 霍爾推力器更換了 內(nèi)磁芯 下進行的，其他推力器上的部件均為改變。 本章小結(jié) 通過本章 的分析可知，傳統(tǒng)的觀念中， ATON 發(fā)動機機型要想轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣畲拍Ｊ绞芸臻g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)強度很低只有 ，于是我們將材料換為飽和磁感應(yīng)強度更高的軟磁材料 1J22（飽和磁感應(yīng)強度 ），但是事情沒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，發(fā)現(xiàn)了一個很棘手的新問題 —— 漏磁 問題，經(jīng)過分析后，目前這個問題很難解決，所以在 ATON 發(fā)動機機型上有些工況是不能轉(zhuǎn)換為自勵磁模式的（轉(zhuǎn)換后線圈匝數(shù)增多的工況），在第三章中我們將對這個區(qū)域進行進一步的劃分。 圖 210 Q235 半 徑為 時磁場分布 由 圖 210可以看出在使用 Q235作磁芯材料時，磁芯內(nèi)最大磁感應(yīng)強度可達 Q235的最大磁感應(yīng)強度為 ，所以當磁芯打薄到半徑為 出現(xiàn)嚴重的磁飽和現(xiàn)象，故此時 Q235已不可取，因此必須換一種飽和磁感應(yīng)強度更大的材料，航天領(lǐng)域中，一般用高飽和磁感應(yīng)強度的軟磁合金材料 1J22，D d L 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計論文 15 如圖 211是用 FEMM軟件對 1J22材料的磁場仿真模擬，磁場中的最大磁感應(yīng)強度為 ， 1J22材料的最大飽和磁感應(yīng)強度為 ，因此還沒有磁飽和， 居里點也很高 980℃ ，而發(fā)動機工作室最高點的溫度在 800℃ 左右，沒有超過居里點，因此溫度對材料磁性的影響可以忽略不計。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計論文 12 圖 25 421 型高斯計 高斯計需要配 合霍爾探頭使用， 421 型高斯計附帶的探頭分為軸向探頭 (axial probe，型號 MNA1904VH)和徑向探頭 (transverse probe，型號 MNT4E04VH)兩種，分別見 圖 26 和 圖 27， 軸向探頭用于測量軸向磁場強度，徑向探頭用于測量徑向磁場強度。 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。 工作狀態(tài)下真空罐內(nèi)壓力為 3 103Pa左右。那么為了適應(yīng)實際航天應(yīng)用的需要，必然要求把 3個勵磁線圈與主放電回路串聯(lián)起來工作，并只用一個電源供電。哈爾濱工業(yè)大學(xué)等離子推進技術(shù)實驗室 2020年在國際上報道了 他勵模式下勵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 動態(tài)磁場與等離子體相互作用的 研究思路。 圖盧茲 大學(xué)通過實驗及數(shù)值仿真研究磁場形貌對推力器壽命及運行工況的影響，磁場強度的分布影響等離子體放電振蕩的頻率，而改變零磁點在通道中的位置，可以影響通道中電場分布，進而影響振蕩強度[13]。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)，此時磁場為準靜態(tài)。 b、自勵模式 在實際航天應(yīng)用當中，電磁線圈結(jié)構(gòu)的霍爾推力器需要運行在自勵模式下，即把所有線圈串聯(lián)進主放電回路當中，工作時放電電流即線圈勵 磁電流。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計論文 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。 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。 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?；魻柾屏ζ魇抢秒妶龊痛艌龉餐饔脤㈦娔苻D(zhuǎn)換為工質(zhì)動能的一種功能轉(zhuǎn)換裝置?；魻柾屏ζ骶哂懈咝?、高比沖以及高可靠性等優(yōu)點，自從 1970 年成功研制以來，已經(jīng)廣泛用于各種實際飛行任務(wù)，成為世界各航天大國電推進裝置研究中的熱點， 而當前我國 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)等離子推進技術(shù)研究所從俄羅斯引進了 ATON 型霍爾推力器 ，并對其進行了深入的研究。美國、俄羅斯、歐空局和日本在電推進的研究和應(yīng)用方面獲得了巨大成功，不同類型和不同特點的電推進在空間航天器上得到了廣泛應(yīng)用。但是電推進系統(tǒng)會增加電源模塊，這對可靠性提出了更高的要求。自勵模式下，即把所有線圈串聯(lián)進主放電回路當中，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，而且初步的實驗發(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，提高了衛(wèi)星的有效載荷、電能轉(zhuǎn)換效率和可靠性 。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。圖中 SmCo為釤鈷永磁體，是霍爾推力器常用的永磁材料。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)如果因為電流過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。 通過調(diào)節(jié)磁場該型號推力器及其改進型號可以在高放電電壓下保持較好的性能參數(shù) [7,8]。斯坦福大學(xué)的 Cappelli研究了他勵模式霍爾推力器周向霍爾電流引起的動態(tài)磁場的非接觸測量方法，指出感應(yīng)磁場的存在使推力器靜態(tài)磁場的峰值分布向陽極移動并且影響通道內(nèi)電子的反常輸運。此時陰級加熱器 向陰極提供穩(wěn)定電流；啟動器充電后，啟動器在陰極和啟動器電極之間產(chǎn)生一個高壓脈沖，在電極間形成放電。目前，世界上關(guān)于此類涉及直接航天應(yīng)用的詳細技術(shù)問題鮮有披露，當前并沒有查閱到 ATON串聯(lián)工作的相關(guān)文獻， 因此本文主要對 ATON進行自勵磁模式下轉(zhuǎn)換進行了模擬與實驗嘗試。 FEMM簡單易學(xué)、求解速度快、計算精度高，是一個面向 PC的采用交互式環(huán)境的免費軟件，使得較復(fù)雜的問題采用普通的計算機就可以求解。 針對磁場強度沿軸向的分布，可以采用高斯計來測量。對于內(nèi)磁芯來說，空間有限因此可以嘗試通過打薄內(nèi)磁芯來增加其內(nèi)部空間。由 圖 218與 219對比可以看出，當磁芯的半徑為 3mm哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計論文 20 時，其通道內(nèi)的最大磁感應(yīng)強度都不超過 200G，而磁芯半徑為 7mm時，推力器通道中心最大磁感應(yīng)強度分別為 340G， 417G， 490G，因此可以看出，當磁芯打薄是漏磁現(xiàn)象明顯，圖 219縱坐標表示磁芯半徑為 7mm時通道中心最大磁感應(yīng)強度與打薄后通道中心最大磁感應(yīng)強度之差，橫坐標表示磁芯打薄的厚度，由曲線擬合出其公式為： 4 3 22 . 2 7 5 6 2 5 . 3 3 0 2 9 0 . 1 1 8 3 3 2 . 0 4 1 7 1 . 4 8 7 7y x x x x? ? ? ? ? （ 212） 由圖 220可以看出磁芯如若打薄，漏磁現(xiàn)象會非常的明顯，因 此經(jīng)以上研 0 1 2 3 4 5 6 7 8050100150200通道最外側(cè)向里移動的距離 L / m m通道中心的磁感應(yīng)強度B/G 2 . 5 A3 . 5 A6 3 . 5 A 圖 218 高斯計所測得的通道中心磁感應(yīng)強度 0 1 2 3 4 5 6 7 80100200300400500通道最外側(cè)向里移動的距離 L / m m通道中心磁感應(yīng)強度B/G 2 . 5 A3 . 5 A6 A 3 . 5 A 圖 219 高斯計所測得的通道中心磁感應(yīng)強度 究發(fā)現(xiàn)，在 ATON霍爾推力器上要想實現(xiàn)自勵磁模式的轉(zhuǎn)換，并不是僅限于將磁哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計論文 21 芯打 薄然后解決磁飽和問題就可以了，由于漏磁現(xiàn)象嚴重，導(dǎo)致了發(fā)動機通道中心處的最大磁感應(yīng)強度嚴重不足，是發(fā)動機不能穩(wěn)定工作在一個高效率的模式下，因此不能一昧的 去打薄磁芯去解決內(nèi)線圈的空間問題。 其公式如下 ： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計論文 24 1 0 2 0T mgy y y y??? (31) 其中 ： T 表示推力器的推力， 0y 表示光標的初始位置， 1y 表示發(fā)動機工作后光標的位置， 2y 表示用砝碼校核時光標的位置， m 為砝碼的質(zhì)量， g =。 實驗結(jié)果分析 由上述磁安特性曲線可以看出，在磁安特性曲線上最低點為最優(yōu)工況點，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計論文 27 由圖 32， 圖 33， 圖 34 上可以看出最優(yōu)工況點處有的情況下可以轉(zhuǎn)換，有的不能轉(zhuǎn)換，但是在最優(yōu)工況點左邊的工況點都是可以轉(zhuǎn)換為自勵磁模式的，分析其原因是磁安特性曲線的左邊磁場強 度很小，因此勵磁電流就比較小所以放電電流均大于勵磁電流，因此都可以轉(zhuǎn)換為自勵磁模式，隨著放電電流的不斷減小勵磁電流的不斷增大，這兩個電流值在最優(yōu)工況點左右相等，在最優(yōu)工況點右邊時，勵磁電流不斷增加，示值電流也不斷增加，但是人們研究發(fā)現(xiàn)，右側(cè)的磁安特性曲線的增長是很緩慢的，所以勵磁電流的增長速度遠遠大于示值電流的增長速度，因此在右側(cè)示值電流的值永遠小于勵磁電流的值，因此右側(cè)的工況點在 ATON 發(fā)動機上就不能轉(zhuǎn)換為自勵磁。 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 60016001700180019002020210022002300240025002600U 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 48 推力與放電電壓 300 350 400 450 500 550 6