【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 論文 9 1加速通道； 2陽極； 3緩沖區(qū)； 4氣體分配器； 5勵磁線圈 圖 21 典型的 ATON 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)圖 圖 22 實驗用真空罐 FEMM 軟件的介紹 此次 設(shè)計磁場分布的計算采用的軟件是 FEMM（ Finite Element Mehtod Magics），版本 。這些研究成果為今后探討自勵模式霍爾推力器中勵磁與放電的相互影響開拓了 思路，為自勵模式霍爾推力器的理論研究奠定了基礎(chǔ)?；魻柾屏ζ?不同勵磁模式物理 耦合過程示意圖 如 圖 13 所示 ， 不同勵磁模式特點(diǎn) 對比如 表 11 所示 。在微小衛(wèi)星平臺上，小尺寸低功率推力器通常使用永久磁鐵勵磁。這三種勵磁方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同類型的 推力器和場合。 關(guān)鍵詞 漏磁；單獨(dú)勵磁；自勵磁；低頻振蕩 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計 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)器的勵磁方式主要是他勵方式，但是其低頻振蕩大，而自勵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，對霍爾推進(jìn)器的要求勢必越來越高，因此對自勵磁方式的研究也必 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 )，而推力器通道長度一般只有幾厘米，因此離子幾乎不受通道內(nèi)磁場的影響，在軸向電場作用下高速噴出，產(chǎn)生反作用力為航天飛行器提供動力。缺點(diǎn)在于推力器放電工作時，磁場不可 調(diào)節(jié)，在自勵 磁模式下 運(yùn)行時磁場應(yīng)該最優(yōu)化， 使 推力器工作在最優(yōu)放電工作點(diǎn)下。美國的 INMA RSAT 4F1衛(wèi)星平臺的推進(jìn)系統(tǒng)使用 SPT100作為主推進(jìn)裝置，工作于自勵模式；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模式 。 因此，必須采取措施，解 決磁場強(qiáng)度強(qiáng)度不夠的問題。 高斯計的使用與介紹 ATON 通道內(nèi)的磁場測量能指導(dǎo)磁場設(shè)計，是磁場設(shè)計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的中心通道處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過圖 216 可以看出，當(dāng)磁芯半徑打薄到 3mm 時，其通道中心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度從 減少到 ，而發(fā)動機(jī)通道中心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度對發(fā)動機(jī)的工作效率有著很大的影響， 當(dāng)通道中心變?yōu)?時，不足以使發(fā)動機(jī)工作在一個高效率的狀態(tài)下，于是我們進(jìn)行了實驗驗證，但是，很遺憾，實驗時，限流現(xiàn)象嚴(yán)重，發(fā)動機(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)囊幻妫覀冇酶咚褂媽Πl(fā)動機(jī)的通道中心的磁場強(qiáng)度進(jìn)行了測量，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，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 時半徑為 6 時半徑為 5 時半徑為 4 時半徑為 3 時 圖 217 發(fā)動機(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。 實驗?zāi)康氖峭ㄟ^對發(fā)動機(jī)磁安特性曲線上各個工況點(diǎn)的分析，找出 ATON發(fā)動機(jī)可以轉(zhuǎn)換為自勵磁的 區(qū)域。 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(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 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(diǎn)左右相等，在最優(yōu)工況點(diǎn)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(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)小于勵磁電流的值，因此右側(cè)的工況點(diǎn)在 ATON 發(fā)動機(jī)上就不能轉(zhuǎn)換為自勵磁。由 圖 218與 219對比可以看出，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 論文 20 時，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，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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(yán)重，導(dǎo)致了發(fā)動機(jī)通道中心處的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度嚴(yán)重不足，是發(fā)動機(jī)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。 針對磁場強(qiáng)度沿軸向的分布，可以采用高斯計來測量。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 ATON進(jìn)行自勵磁模式下轉(zhuǎn)換進(jìn)行了模擬與實驗嘗試。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(yùn)。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。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。但是電推進(jìn)系統(tǒng)會增加電源模塊，這對可靠性提出了更高的要求?；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 ，并對其進(jìn)行了深入的研究。 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。 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。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(zhǔn)靜態(tài)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)等離子推進(jìn)技術(shù)實驗室 20xx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。 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 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(qiáng)度，徑向探頭用于測量徑向磁場強(qiáng)度。 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(jī)機(jī)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(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，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(jī)機(jī)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(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 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(jī)可以轉(zhuǎn)換為自勵磁模式的區(qū)域進(jìn)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(jìn)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(dú)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(dú)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(jìn)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(jìn)行的， 其他推力器上的部件均為改變。 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(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 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 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(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)，因此溫度對材料磁性的影響可以忽略不計。 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。 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(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