【正文】 磁安特性曲線上只有 B 區(qū)是可以轉(zhuǎn)換為自勵磁模式的區(qū)域，因此在 ATON 機型上做自勵磁的轉(zhuǎn)換，必 須要在最優(yōu)工況點的左邊找一個工況點，雖然以犧牲發(fā)動機的一些效率為前提，但是，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)自勵磁模式的轉(zhuǎn)換，也是可行的。測得推力后可根據(jù)以下公式計算出工 質(zhì)的平均噴出速度、比沖和效率 [16]。 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 5 0050100150200250300磁芯所打薄的厚度 d / m m未打薄與打薄后的最大磁感應(yīng)強度之差B/G 圖 220 磁芯打薄對漏磁的影響 磁芯變粗后的分析 前面一直在分析磁芯打薄的問題，但是通過分析可以看出，打薄后雖然可以多繞更多的線圈，但是多繞出的線圈不足以抵消漏磁，通道中心的最大磁感應(yīng)強度下降仍然很嚴(yán)重，那么我們又有了一種新的思路，會不會在原有磁芯半徑 7mm 的基礎(chǔ)上增大磁芯直徑，會不會使通道中心的磁感應(yīng)強度增大 呢？如圖221 可 以看出磁芯半徑 為 7mm時通道中心的最大磁感應(yīng)強度依舊為最大，所 0 20 40 60 80 100 1200100200300400500通道中心的軸向距離 L / m m通道中心的磁感應(yīng)強度B/G J 7 m mJ 7 . 2 5 m mJ 7 . 5 m mJ 7 . 7 5 m mJ 8 m m 圖 221 磁芯變厚對磁感應(yīng)強度的影響 以，讓 磁芯變粗減少漏磁的這種美好的想法就走不通了。 圖 28 ATON 發(fā)動機的內(nèi)磁芯 內(nèi)磁芯打薄 給定一個發(fā)動機穩(wěn)定的工況為 N1=105， N2=110， N3=40， I1=， I2=，I3=0，放電電流 Id=（下標(biāo)為 1 表示外線圈，下標(biāo)為 2 表示內(nèi)線圈，下標(biāo)為3 表示附加線圈），由安匝等效可以算出當(dāng)轉(zhuǎn)換為自勵磁模式時，回路中放電電流即勵磁電流 Id=Im=， N1=110， N2=273， N3=0，內(nèi)磁芯的外徑為 D=34mm，內(nèi)徑為 d=14mm，內(nèi)線圈的磁芯長度 L=23，導(dǎo)線直徑 d1=1mm導(dǎo)線之間的裕度為 10%，如 圖 29 所示 可先設(shè)軸向可 繞 X 匝線圈，所以有方程 21。 本測量實驗采用的是 Lakeshore 公司的 421 型高斯計，如 25 所示。計算過程中，我們對推力器按 1:1建模，略去不導(dǎo)磁部分。 實驗系統(tǒng)與軟件介紹 實驗系統(tǒng)的介紹 本文中的實驗均采用 ATON霍爾推力器，其結(jié)構(gòu)圖如圖 21所示除磁場測量試驗外，全部實 驗均在真空罐中進行。放電后，主放電室被激化，產(chǎn)生等離子體，此時啟動器和加熱電源關(guān)畢。密西根大學(xué)的 Galimore通過高速往復(fù)探針和數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究了霍爾推力器放電對靜態(tài)磁場的影響。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，與實驗結(jié)果吻合的較好 [10]。因為永久磁鐵與電磁線圈勵磁各自優(yōu)缺點，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]。 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 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。對于電磁線圈結(jié)構(gòu)的 霍爾推力器 可運 行于他勵模式和自勵模式下。 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。對于電推進系統(tǒng)，推進劑重量會由系統(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 論文 2 化電源模塊、減小電源模塊重量，則可進一步提高有效載荷。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研究應(yīng)用計劃，一方面提高現(xiàn)有電推進系統(tǒng)的性能和可靠性；另一方面加緊新型電推進技術(shù)的研究，電推進在未來航天任務(wù)中的應(yīng)用前景將更為廣闊 [1]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計 論文 I 摘 要 為 適應(yīng)未來深空探測和星際旅行的技術(shù)需要，電推進裝置取代傳統(tǒng)化學(xué)推力器已經(jīng)成為航天推進領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。 霍爾推力器 (Hall Thruster)作為一種典型的電推進裝置，以其效率高，工作壽命長，功率密度高，比沖適中等優(yōu)點引起世界各航天大國的廣泛關(guān)注并成為航天推進領(lǐng)域研究和投入的熱點方向。同時由于電源的簡化也會提高整個電推進系統(tǒng)可靠 [2]。其結(jié)構(gòu) 如 錯誤 !未找到引用源。這三種勵磁方式各有優(yōu)缺點，適用于不同類型的推力器和場合。 a、 他勵模式 在實驗室中，通常電磁線圈勵磁結(jié)構(gòu)的推力器運行在他勵模式下，即每個勵磁線圈由單獨的直流電流源供電，這種模式最大的優(yōu)點是推力器在放電運行過程中，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。 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)。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]。這些研究為勵磁模式霍爾推力器的理論研究工作的進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)。 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 )。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。 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。 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。 ? ?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。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的磁芯進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一步的探索，但是我們堅信我們肯定會克服各種 困難的。 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。 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 點進行分析研 究以及對推力器的低頻振蕩進行了 初步探索。 自勵磁霍爾推力器工作特性的研究 實驗設(shè)計 他勵模式電路： 陰極點火器電源 1陽極++_3C3R2R_電源 22L示波器1R1C電源 4內(nèi)線圈電源 5附加線圈電源 3外線圈 圖 41 他勵模式電路 自勵模式電路： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計 論文 31 陰極點火器電源 1陽極外線圈內(nèi)線圈附加線圈++_3C3R2R_電源 2示波器1R1C2L 圖 42 自勵模式電路 本實驗主要是通過自勵磁模式下對推力器的性能（推力、比沖、羽流）進行了測量，繼而計算出推力器的效率，將 ATON 霍爾推力器在自勵磁模式下與安匝等效成的單獨勵磁模式的工況在不同的質(zhì)量流量下進行了一系列的對比，依次研究分 析自勵磁霍爾推力器的工作特性。線圈經(jīng)過重新繞制，外線圈，內(nèi)線圈，附加線圈匝數(shù)分別為 105匝， 172 匝， 81 匝。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計 論文 23 第 3 章 自勵磁霍爾推力器工作特性區(qū)域的研究 在第二章中我們就研究了從單獨勵磁到自勵磁的轉(zhuǎn)換，鑒于漏磁現(xiàn)象的影響，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，因此我們要找出這個可以轉(zhuǎn)換的區(qū)域，以方便以后進一步更好的研究，本章主要是通過大量的實驗找出一些工況點，再根據(jù)這些工況點尋找規(guī)律，力求將這個可以轉(zhuǎn)換的區(qū)域確定出來，然后在研究不同放電工況下的自勵磁性能和穩(wěn)定性，以更好的了解發(fā)動機在自勵磁模式下的工作狀況，為以后在實際航天應(yīng)用中做一個鋪墊。 圖 211 1J22 半徑為 時磁場分布 打薄后的應(yīng)力問 題 如圖 212所示， 鑒于磁芯從半徑為 7mm打薄到 ，在設(shè)計 加工中考 慮到 圖 212 1J22 材料半斤為 3mm 的磁芯 加 工精度問題將其打薄到 3mm，下面對其進行計算， 圖中， a=3， b