【正文】 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， 希望能通過實(shí)驗(yàn)找出一些影響推力器低頻振蕩的因素。 實(shí)驗(yàn)的方法與測量結(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。 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(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)很棘手的新問題 —— 漏磁問題，經(jīng)過分析后，目前這個(gè)問題很難解決，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。 圖 210 Q235 半 徑為 時(shí)磁場分布 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材料的磁場仿真模擬，磁場中的最大磁感應(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，沒有超過居里點(diǎn)，因此溫度對(duì)材料磁性的影響可以忽略不計(jì)。 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 圖 26 和 圖 27， 軸向探頭用于測量軸向磁場強(qiáng)度，徑向探頭用于測量徑向磁場強(qiáng)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(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)起來工作，并只用一個(gè)電源供電。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)磁場與等離子體相互作用的 研究思路。 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(duì)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]。他勵(lì)模式下，磁場由電磁線圈產(chǎn)生，盡管主放電回路與勵(lì)磁線圈回路之間物理隔離，但放電與磁場振蕩之間存在電磁感應(yīng)空間耦合效應(yīng)，此時(shí)磁場為準(zhǔn)靜態(tài)。 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。 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。 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(dòng)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(diǎn)，自從 1970 年成功研制以來，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電推進(jìn)裝置研究中的熱點(diǎn)， 而當(dāng)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(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。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。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。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，與他勵(lì)模式相比，自勵(lì)模式可以節(jié)省三個(gè)電源，而且初步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自勵(lì)模式的低頻振蕩的影響非常小， 自勵(lì)模式霍爾推力器將放電電流作為勵(lì)磁電流引入勵(lì)磁系統(tǒng)形成磁場，減少電能變 換器的個(gè)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 。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(huì)對(duì)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(huì)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(huì)使推力器失效。 通過調(diào)節(jié)磁場該型號(hào)推力器及其改進(jìn)型號(hào)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(lì)模式霍爾推力器周向霍爾電流引起的動(dòng)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(dòng)并且影響通道內(nèi)電子的反常輸運(yùn)。此時(shí)陰級(jí)加熱器 向陰極提供穩(wěn)定電流；啟動(dòng)器充電后，啟動(dòng)器在陰極和啟動(dòng)器電極之間產(chǎn)生一個(gè)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(xì)技術(shù)問題鮮有披露，當(dāng)前并沒有查閱到 ATON串聯(lián)工作的相關(guān)文獻(xiàn)， 因此本文主要對(duì) ATON進(jìn)行自勵(lì)磁模式下轉(zhuǎn)換進(jìn)行了模擬與實(shí)驗(yàn)嘗試。 FEMM簡單易學(xué)、求解速度快、計(jì)算精度高，是一個(gè)面向 PC的采用交互式環(huán)境的免費(fèi)軟件，使得較復(fù)雜的問題采用普通的計(jì)算機(jī)就可以求解。 針對(duì)磁場強(qiáng)度沿軸向的分布，可以采用高斯計(jì)來測量。對(duì)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(duì)比可以看出，當(dāng)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(jì) 論文 20 時(shí)，其通道內(nèi)的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度都不超過 200G，而磁芯半徑為 7mm時(shí)，推力器通道中心最大磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為 340G， 417G， 490G，因此可以看出，當(dāng)磁芯打薄是漏磁現(xiàn)象明顯，圖 219縱坐標(biāo)表示磁芯半徑為 7mm時(shí)通道中心最大磁感應(yīng)強(qiáng)度與打薄后通道中心最大磁感應(yīng)強(qiáng)度之差， 橫坐標(biāo)表示磁芯打薄的厚度，由曲線擬合出其公式為： 4 3 22. 27 56 25 .3 30 2 90 .1 18 3 32 .0 41 7 1. 48 77y x x x x? ? ? ? ? （ 212） 由圖 220可以看出磁芯如若打薄，漏磁現(xiàn)象會(huì)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(dòng)的距離 L / m m通道中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度B/G 2 . 5 A3 . 5 A6 3 . 5 A 圖 218 高斯計(jì)所測得的通道中心磁感應(yīng)強(qiáng)度 0 1 2 3 4 5 6 7 80100200300400500通道最外側(cè)向里移動(dòng)的距離 L / m m通道中心磁感應(yīng)強(qiáng)度B/G 2 . 5 A3 . 5 A6 A 3 . 5 A 圖 219 高斯計(jì)所測得的通道中心磁感應(yīng)強(qiáng)度 究發(fā)現(xiàn)，在 ATON霍爾推力器上要想實(shí)現(xiàn)自勵(lì)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(jì) 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(yán)重，導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)通道中心處的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度嚴(yán)重不足，是發(fā)動(dòng)機(jī)不能穩(wěn)定工作在一個(gè)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(jì) 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(biāo)的初始位置， 1y 表示發(fā)動(dòng)機(jī)工作后光標(biāo)的位置， 2y 表示用砝碼校核時(shí)光標(biāo)的位置， m 為砝碼的質(zhì)量， g =。 實(shí)驗(yàn)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(diǎn)為最優(yōu)工況點(diǎn)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 27 由圖 32， 圖 33， 圖 34 上可以看出最優(yōu)工況點(diǎn)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(diǎn)左邊的工況點(diǎn)都是可以轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式的，分析其原因是磁安特性曲線的左邊磁場強(qiáng)度很小，因此勵(lì)磁電流就比較小所以放電電流均大于勵(lì)磁電流，因此都可以轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式，隨著放電電流的不斷減小勵(lì)磁電流的不斷增大，這兩個(gè)電流值 在最優(yōu)工況點(diǎn)左右相等，在最優(yōu)工況點(diǎn)右邊時(shí)，勵(lì)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(lì)磁電流的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yuǎn)小于勵(lì)磁電流的值，因此右側(cè)的工況點(diǎn)在 ATON 發(fā)動(dòng)機(jī)上就不能轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)首先將在在相同質(zhì)量流量下對(duì)比了單獨(dú)勵(lì)磁與自勵(lì)磁模式下相同工況點(diǎn)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(duì)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(jì) 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(lì)磁模式下的性能做對(duì)比， 我們又依次 分析了 質(zhì)量流量為， 3mg/s， ， Ma= mg/s 時(shí) ： 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 300 350 400 450 500 550 600