【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 合現(xiàn)象一直受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注和研究，在電推進(jìn)研究領(lǐng)域國(guó)際上一些學(xué)者和機(jī)構(gòu)也開(kāi)始從動(dòng)態(tài)和耦合的角度研究霍爾推力器的磁場(chǎng)問(wèn)題，方向直指自勵(lì)模式霍爾推力器應(yīng)用的基礎(chǔ)理論研究。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)。密西根大學(xué)的 Galimore通過(guò)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(duì)靜態(tài)磁場(chǎng)的影響。這些研究為勵(lì)磁模式霍爾推力器的理論研究工作的進(jìn)一步開(kāi)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(jì) 論文 7 路，但研究仍然停留在他勵(lì)模式下磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)問(wèn)題范疇內(nèi)。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。此后，狄更斯大學(xué)的 Hans教授驗(yàn)證了這一結(jié)果，并隨后開(kāi)始研究勵(lì)磁與放電的耦合問(wèn)題。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(kāi)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)。 本文主要研究?jī)?nèi)容 本文主要的結(jié)構(gòu)是對(duì)自勵(lì)磁模式下的霍爾推力器盡心設(shè)計(jì)，主要包括從單獨(dú)勵(lì)磁的模式下轉(zhuǎn)換到自勵(lì)磁模式，需要安匝數(shù)的等效以及等效完成后，一般是內(nèi)線圈的匝數(shù)會(huì)變得很多，由于內(nèi)線圈受空間的限制，所以就涉及到怎樣解決內(nèi)線圈空間的問(wèn)題，可操作性比較強(qiáng)的主要是將磁芯打薄，再打薄后磁芯變細(xì)，因此需要計(jì)算磁芯工作時(shí)的應(yīng)力問(wèn)題、熱問(wèn)題、漏磁問(wèn)題等一系列問(wèn)題，而在本文的第三章主要介紹了自勵(lì)磁模式下的霍爾推力器工作區(qū)域的研究，通過(guò)第二章的研究發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前 ATON發(fā)動(dòng)機(jī)上有些工況是不能進(jìn)行轉(zhuǎn)換成自勵(lì)磁模式的，因此，我們?cè)诖藢?duì) ATON發(fā)動(dòng)機(jī)找到了一個(gè)能轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式的區(qū)域，然后針對(duì)某個(gè)工況點(diǎn)在自勵(lì)磁模式下與單獨(dú)立此模式下進(jìn)行了研究與對(duì)比，在最后一章里，我們主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)在自勵(lì)磁模式下的放電回路中并入一些電子元件，如電阻、電容，觀察對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振蕩的影響，以此來(lái)進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，使其工作更趨于穩(wěn)定。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 8 第 2 章 自勵(lì)磁霍爾推力器設(shè)計(jì) 引言 在實(shí)際航天應(yīng)用中， 霍爾推力器 穩(wěn)態(tài)工作時(shí)只需一個(gè)電源，但在啟動(dòng)時(shí)，需要另一個(gè)電源來(lái)預(yù)熱陰極和為啟動(dòng)器充電。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。放電后，主放電室被激化，產(chǎn)生等離子體，此時(shí)啟動(dòng)器和加熱電源關(guān)畢。 但在地面實(shí)驗(yàn)室研究階段， ATON一共需要 5個(gè)電源，陰極加熱電源，放電電源和 3個(gè)勵(lì)磁電源 (因?yàn)?ATON有 3個(gè)勵(lì)磁線圈 )。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。這樣電源個(gè)數(shù)減少了，優(yōu)勢(shì)是明顯的，不但可以提高由推進(jìn)系統(tǒng)供電系統(tǒng)的可靠性，還可以提高衛(wèi)星的有效載荷率。 目前的 ATON是無(wú)法 串聯(lián)工作 的，不同的工況下，勵(lì)磁電流與放電電流的匹配是能否實(shí)現(xiàn)自勵(lì)磁需要研究的問(wèn)題，如何解決磁場(chǎng)強(qiáng)度和放電電流的關(guān)系是需要首先評(píng)估的。 因此，必須采取措施，解 決磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)度不夠的問(wèn)題。可以說(shuō)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)工作 ，是 ATON由實(shí)驗(yàn)室研究階段邁向?qū)嶋H航天應(yīng)用的第一步嘗試。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(wèn)題鮮有披露，當(dāng)前并沒(méi)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。 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與軟件介紹 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的介紹 本文中的實(shí)驗(yàn)均采用 ATON霍爾推力器，其結(jié)構(gòu)圖如圖 21所示除磁場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)外，全部實(shí) 驗(yàn)均在真空罐中進(jìn)行。圓柱形真空罐直徑 ，長(zhǎng) 4m，配備有兩個(gè)油擴(kuò)散泵和三個(gè)機(jī)械泵，見(jiàn) 圖 22。 工作狀態(tài)下真空罐內(nèi)壓力為 3 103Pa左右。推力器使用氙 氣 做推進(jìn)工質(zhì)，陽(yáng)極流量 3mg/s，陰極流量 ，推力器主放電電壓 300V。 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 。 FEMM是一款用于計(jì)算給定磁路系統(tǒng)下磁場(chǎng)位形的有限元分析軟件，專門用于電磁方面的二維平面或軸對(duì)稱模型的分析。其主要應(yīng)用于靜電分析；線性、非線性靜磁分析；瞬態(tài)、諧波磁場(chǎng)分析。 FEMM簡(jiǎn)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(wèn)題采用普通的計(jì)算機(jī)就可以求解。計(jì)算過(guò)程中，我們對(duì)推力器按 1:1建模，略去不導(dǎo)磁部分。 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(jì) 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。 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。 圖 24 輸出界面 在完成仿真后還可以通過(guò) 以下程序進(jìn)行計(jì)算通道中心各處的磁場(chǎng)強(qiáng)度： handle=openfile(,w) i=1 j=1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 11 for x=0,8, do for y=60,90, do i=i+1 Are,Aim,B1re,B1im,B2re,B2im,Sig,E,H1re,H1im,H2re,H2im,Jere,Jeim,Jsre,Jsim,Mu1re,Mu1im, Mu2re,Mu2im,Pe,Ph=mo_getpointvalues(x,y) B1re1=B1re*10000 B2re1=B2re*10000 B=sqrt(B1re1^2+B2re1^2) write(handle,i, ,j, ,B1re1, ,B2re1, ,\n) end j=j+1 end closefile(handle) 可以通過(guò)修改 x， y 的坐標(biāo)算出模型內(nèi)各點(diǎn)的坐標(biāo)。 在以后的模擬時(shí)磁芯存在磁飽和的問(wèn)題，所以應(yīng)該將通常用的普通材料 Q235 換為高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的軟磁材料 1J22，在計(jì)算時(shí)將 Q235,、 1J22 兩種材料作對(duì)比，而 FEMM 軟件材料庫(kù)中所用材料名均為美國(guó)的鋼鐵牌號(hào)，因此要查到它們自相對(duì)應(yīng)的牌號(hào)， Q235的磁安特性曲線（ BH 曲線）已給定，所以只需查找 1J22 的牌號(hào)即可，經(jīng)查找1J22 所對(duì)應(yīng)的牌號(hào)為 50КФ(俄羅斯 )、 Permendur(英國(guó) )、 Supermendur(美國(guó) )、 HiperCo50(美國(guó) )。 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。 ATON 通道內(nèi)的磁場(chǎng)位形 歸結(jié)為兩個(gè)方面： (1)磁場(chǎng)強(qiáng)度沿通道軸向的分布； (2)磁力線形貌。 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。 本測(cè)量實(shí)驗(yàn)采用的是 Lakeshore 公司的 421 型高斯計(jì)，如 25 所示。 421 型高斯計(jì)有 RS232C 串行接口，可通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示測(cè)量結(jié)果，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，此外，還具有最大值保持、自動(dòng)濾掉地磁場(chǎng)影響、超過(guò)量程自動(dòng)報(bào)警等功能。 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(jiàn) 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。 2 . 5 LA+ BDL 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。 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。 0 . 0 3 0 W 圖 27 徑向探頭 其使用步驟大致如下： (1)將探頭“調(diào)零”，消除地磁場(chǎng)的影響； (2)固定探頭，確定基準(zhǔn)點(diǎn)； (3)確定探頭測(cè)量起點(diǎn)和終點(diǎn)； (4)選擇量程，進(jìn)行測(cè)量； (5)拆卸探頭。 自勵(lì)磁霍爾推力器磁場(chǎng)等效 在實(shí)驗(yàn)室條件下，霍爾推力器的勵(lì)磁方式都是單獨(dú)勵(lì)磁，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)增加勵(lì)磁線圈的電流來(lái)增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度，但是在航天領(lǐng)域中要進(jìn)行自勵(lì)磁的轉(zhuǎn)換，即將三個(gè)線圈的串聯(lián)到放電回路中去，這樣就可以少攜帶三個(gè)電源，大大減少了霍爾推力器的本身的重量，而且研究發(fā)現(xiàn)在自勵(lì)磁模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)的低頻振哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 13 蕩相對(duì)于單獨(dú)勵(lì)磁模式被很好的抑制了，但是，一般情況下線圈的電流被 調(diào)的很大以此增加通道內(nèi)磁場(chǎng)的強(qiáng)度，其內(nèi)磁芯如圖 28所示，由于附加線圈所繞線圈匝數(shù)比較少，所以在轉(zhuǎn)化為勵(lì)磁磁模式時(shí)，所增加的線圈匝數(shù)在附加線圈 可以繞下，但是內(nèi)磁芯往往在單獨(dú)勵(lì)磁模式下電流就已經(jīng)很大，所以通過(guò)安匝等效 N1I1=N2I2公式，發(fā)現(xiàn)當(dāng)初始電流 I1很大時(shí)，由于足在轉(zhuǎn)化為自勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁電流就是回路中的放電電流，一般情況下勵(lì)磁電流 Im大于放電電流 Id，所以當(dāng)轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式時(shí)，線圈匝數(shù)必定增多，才能保證他們的安匝數(shù)相等。對(duì)于內(nèi)磁芯來(lái)說(shuō)，空間有限因此可以嘗試通過(guò)打薄內(nèi)磁芯來(lái)增加其內(nèi)部空間。 圖 28 ATON 發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)磁芯 內(nèi)磁芯打薄 給定一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)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(lì)磁模式時(shí)，回路中放電電流即勵(lì)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(zhǎng)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。 ? ?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(jì) 論文 14 圖 29 ATON 發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，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(jì)算出當(dāng)內(nèi)磁芯所繞匝數(shù)為 273圈時(shí)，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。 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(méi)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(méi)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 211 1J22 半徑為 時(shí)磁場(chǎng)分布 打薄后的應(yīng)力問(wèn) 題 如圖 212所示， 鑒于磁芯從半徑為 7mm打薄到 ，在設(shè)計(jì) 加工中考 慮到 圖 212 1J22 材料半斤為 3mm 的磁芯 加 工精度問(wèn)題將其打薄到 3mm，下面對(duì)其進(jìn)行計(jì)算， 圖中， a=3， b=2， c=2，d=3， A=23， B=16， C=40，加速度 a=14m/s2，最大直徑 d=34mm，由于右端是通過(guò)螺紋固定在發(fā)動(dòng)機(jī)上，所以，圖中 D 點(diǎn)所受應(yīng)力最大，所以校核時(shí)只需校核 D 點(diǎn)即可，