【正文】 ment type mesurement），二是載荷單元法（ load cells）。 0 . 0 3 0 圖 26 軸向探頭 2 . 5 LA+ BTL a k e S h o r eC a b l e l e n g t h6 . 6 f e e t0 . 3 6 d i a m e t e r177。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 9 1加速通道； 2陽(yáng)極； 3緩沖區(qū)； 4氣體分配器； 5勵(lì)磁線圈 圖 21 典型的 ATON 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖 圖 22 實(shí)驗(yàn)用真空罐 FEMM 軟件的介紹 此次 設(shè)計(jì)磁場(chǎng)分布的計(jì)算采用的軟件是 FEMM（ Finite Element Mehtod Magics），版本 。這些研究成果為今后探討自勵(lì)模式霍爾推力器中勵(lì)磁與放電的相互影響開拓了 思路，為自勵(lì)模式霍爾推力器的理論研究奠定了基礎(chǔ)?；魻柾屏ζ?不同勵(lì)磁模式物理 耦合過(guò)程示意圖 如 圖 13 所示 ， 不同勵(lì)磁模式特點(diǎn) 對(duì)比如 表 11 所示 。在微小衛(wèi)星平臺(tái)上，小尺寸低功率推力器通常使用永久磁鐵勵(lì)磁。這三種勵(lì)磁方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同類型的 推力器和場(chǎng)合。 關(guān)鍵詞 漏磁；單獨(dú)勵(lì)磁；自勵(lì)磁；低頻振蕩 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 II Abstract In order to meet future deepspace exploration and interplaary travel technology needs, electric propulsion thrusters to replace the traditional chemical field of space propulsion has bee the inevitable trend of development. Hall thruster with high efficiency, high specific impulse and high reliability, etc has been successfully developed since 1970, and widely used for various practical mission to bee the world39。 目前，霍爾推進(jìn)器的勵(lì)磁方式主要是他勵(lì)方式，但是其低頻振蕩大，而自勵(lì)磁的方式卻很好的抑制了這一點(diǎn)，因此隨著航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)霍爾推進(jìn)器的要求勢(shì)必越來(lái)越高，因此對(duì)自勵(lì)磁方式的研究也必 將納入正軌。由于離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，具有較大的拉莫爾半徑 (通常是米的數(shù)量級(jí) )，而推力器通道長(zhǎng)度一般只有幾厘米，因此離子幾乎不受通道內(nèi)磁場(chǎng)的影響，在軸向電場(chǎng)作用下高速噴出，產(chǎn)生反作用力為航天飛行器提供動(dòng)力。缺點(diǎn)在于推力器放電工作時(shí)，磁場(chǎng)不可 調(diào)節(jié)，在自勵(lì) 磁模式下 運(yùn)行時(shí)磁場(chǎng)應(yīng)該最優(yōu)化， 使 推力器工作在最優(yōu)放電工作點(diǎn)下。美國(guó)的 INMA RSAT 4F1衛(wèi)星平臺(tái)的推進(jìn)系統(tǒng)使用 SPT100作為主推進(jìn)裝置，工作于自勵(lì)模式；霍爾推力器的發(fā)明人 ，在空間運(yùn)行的霍爾推力器一般采用自勵(lì)模式 。 因此，必須采取措施，解 決磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)度不夠的問題。 高斯計(jì)的使用與介紹 ATON 通道內(nèi)的磁場(chǎng)測(cè)量能指導(dǎo)磁場(chǎng)設(shè)計(jì)，是磁場(chǎng)設(shè)計(jì)中必不可少的輔助手段。 （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(shí)的中心通道處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過(guò)圖 216 可以看出，當(dāng)磁芯半徑打薄到 3mm 時(shí)，其通道中心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度從 減少到 ，而發(fā)動(dòng)機(jī)通道中心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率有著很大的影響， 當(dāng)通道中心變?yōu)?時(shí)，不足以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在一個(gè)高效率的狀態(tài)下，于是我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但是，很遺憾，實(shí)驗(yàn)時(shí)，限流現(xiàn)象嚴(yán)重，發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǎng)強(qiáng)度達(dá)不到預(yù)想的強(qiáng)度，出于科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊幻?，我們用高斯?jì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的通道中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)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(shí)，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(qiáng)度B/G 1 J 2 2 半徑為 7 時(shí)半徑為 6 時(shí)半徑為 5 時(shí)半徑為 4 時(shí)半徑為 3 時(shí) 圖 217 發(fā)動(dòng)機(jī)通道中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度 圖 218中線圈的匝數(shù)為 N1=105， N2=270， N3=137。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)磁安特性曲線上各個(gè)工況點(diǎn)的分析，找出 ATON發(fā)動(dòng)機(jī)可以轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁的 區(qū)域。 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(chǎng)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(zhǎng)是很緩慢的，所以勵(lì)磁電流的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于示值電流的增長(zhǎng)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。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(guò) 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(cè)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(cè)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。 針對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度沿軸向的分布，可以采用高斯計(jì)來(lái)測(cè)量。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。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(chǎng)的非接觸測(cè)量方法，指出感應(yīng)磁場(chǎng)的存在使推力器靜態(tài)磁場(chǎng)的峰值分布向陽(yáng)極移動(dòng)并且影響通道內(nèi)電子的反常輸運(yùn)。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^(guò)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。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。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。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。 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。 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。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)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。 工作狀態(tài)下真空罐內(nèi)壓力為 3 103Pa左右。 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(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。 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(guò)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。 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因素。 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。 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(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 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。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。 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