【正文】 其中推力測量的方法如第三章中所述，比沖效率的計算如公式 32，羽流的測試方法為，將一個半徑為 ，當推力器工作時，探針從推力器的左側(cè)移動到右側(cè)，探針就能感應到羽流中離子電流，然后通過在測量回路中串 聯(lián)一個電阻（實驗中串聯(lián)電阻為 100kΩ）就能讀出其值，然后再在計算中在將其轉(zhuǎn)換為電流值。 其實反應發(fā)動機性能的參數(shù)效率只是一小部分，而推力器的推 力與比沖也是反映其性能的重要一環(huán)，下面我們將先通過推力的分析來剖析不同工況下發(fā)動機的性能，圖 3圖 3圖 37 分別 表 示放電電壓為 300V、 400V、 500V 100 200 300 400 500 600 700404550556065707580通道中心的最大磁感應強度 B / G推力器的推力T/mN 4 m g / s3 . 5 m g / s3 m g / s2 . 5 m g / s 圖 35 放電電壓為 300V 時的推力 時 推力器在不同質(zhì)量流量下的推理情況，上圖中標‘ ’的表示在 ATON 發(fā)動機中可以轉(zhuǎn)換為自勵磁模式的點，由此可以看出，隨著質(zhì)量流量的增大推力也變大，但是在同一質(zhì)量流量同一放電電壓下，推力器的推力基本變化不大，因此效率是選擇能否轉(zhuǎn)換為自勵磁的又一要素，由附表一、二、三可以看出磁安特性曲線左側(cè)兩個工況點是效率很低的點，而最優(yōu)工況點是是因為勵磁電流大于放電電流也不能轉(zhuǎn)換，因此如圖 38 所示，在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。 為了保證推力器 工作在設計功率范圍內(nèi)， 在低電壓 300V 時 ，陽極流量 選 為 4mg/s、 、 、 ， 放電電壓為 400V 時，陽極流量為 、 3mg/s、 ，在高電壓 500 時，陽極流量為 ， 陰極流量 ，陰極電源電流 ，實驗用工質(zhì)為氙氣。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]。 霍爾推力器 推力的測試方法 推力器推力測量主要有兩種方法，一是位移測量法（ displacement type mesurement），二是載荷單元法（ load cells）。 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強度下降仍然很嚴重，那么我們又有了一種新的思路，會不會在原有磁芯半徑 7mm 的基礎上增大磁芯直徑，會不會使通道中心的磁感應強度增大 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。 打薄后對磁場的影響 （一） 對于打薄位置的分析 要想繞更多的線圈，打薄是一個不爭的事實，但是其內(nèi)徑有三段，如圖 213所示，包括內(nèi)線圈處內(nèi)徑、附加線圈處內(nèi)徑、剩余部分內(nèi)徑共三段，圖 214 圖21圖 216 分別表示只打薄內(nèi)線 圖 213 ATON 發(fā)動機磁芯的示意圖 圈處內(nèi)徑、打薄內(nèi) 線圈處內(nèi)徑與附加線圈處內(nèi)徑、全部內(nèi)徑都打薄后對通道中心處的磁場仿真模擬情況： 內(nèi)線圈處內(nèi)徑 剩 余 部分 內(nèi)徑 附加線圈處內(nèi) 徑 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計 論文 18 圖 214 只打薄磁芯內(nèi)線圈處的磁場分布 圖 215 打薄內(nèi)線圈處內(nèi)徑與附加線圈處內(nèi)徑的磁場 分布 圖 216 全部內(nèi)徑都打薄的磁場分布 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計 論文 19 由以上分析看出，若只打薄 內(nèi)線圈處內(nèi)徑，則“零磁場”消失，而通過圖214 與圖 215 對比可以看出全部打薄時“零磁場”區(qū)域更大，更明顯，因此磁芯采用全部打薄的方式。 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=（下標為 1 表示外線圈，下標為 2 表示內(nèi)線圈，下標為3 表示附加線圈），由安匝等效可以算出當轉(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，導線直徑 d1=1mm導線之間的裕度為 10%，如 圖 29 所示 可先設軸向可 繞 X 匝線圈，所以有方程 21。 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。 本測量實驗采用的是 Lakeshore 公司的 421 型高斯計，如 25 所示。 在以后的模擬時磁芯存在磁飽和的問題，所以應該將通常用的普通材料 Q235 換為高飽和磁感應強度的軟磁材料 1J22，在計算時將 Q235,、 1J22 兩種材料作對比，而 FEMM 軟件材料庫中所用材料名均為美國的鋼鐵牌號，因此要查到它們自相對應的牌號， Q235的磁安特性曲線（ BH 曲線）已給定，所以只需查找 1J22 的牌號即可，經(jīng)查找1J22 所對應的牌號為 50КФ(俄羅斯 )、 Permendur(英國 )、 Supermendur(美國 )、 HiperCo50(美國 )。計算過程中，我們對推力器按 1:1建模，略去不導磁部分。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計 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)動機結(jié)構(gòu)圖 圖 22 實驗用真空罐 FEMM 軟件的介紹 此次 設計磁場分布的計算采用的軟件是 FEMM（ Finite Element Mehtod Magics），版本 。 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。 目前的 ATON是無法 串聯(lián)工作 的，不同的工況下，勵磁電流與放電電流的匹配是能否實現(xiàn)自勵磁需要研究的問題，如何解決磁場強度和放電電流的關(guān)系是需要首先評估的。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。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。密西根大學的 Galimore通過高速往復探針和數(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。從地面研究的角度上看， 他勵模式 霍爾推力器可控性好， 提供了方便有效的研究磁場形貌、強度、分布對等離子體影響的實驗條件 ；從航天應用的角度上，自勵模式霍爾推力器可靠性高、有效載荷高逐步得到各航天應用單位的認可。普林斯頓 大學 的學者 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 大學利用自建的霍爾推力器數(shù)學模型預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]?；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 對比如 表 11 所示 。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]。自勵模式勵磁的優(yōu)點在于可以省去他勵模式中的對所有線圈勵磁的直流電流源，可以簡化電路提高推進系統(tǒng)可靠性，電源的減少能夠增加衛(wèi)星系統(tǒng)的有效載荷。 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（威海）本科畢業(yè)設計 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。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。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。這些電子一方面用來提供電流，維持放電，另一方面繼續(xù)電離中性原子。 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。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。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（威海）本科畢業(yè)設計 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。 從霍爾推力器的發(fā)展歷史看 ， 每一次標志性的進步，無不伴隨著磁場設計技術(shù)瓶頸的突破，如上世紀50 年代末提出的 “ 正 梯度 ” 磁場位形（推力器效率由 20%— 30%提高到近 40%）、磁路系統(tǒng)設計 中 將寬磁極變?yōu)檎艠O以提高軸向磁場梯度（推力器效率從 40%提高到 50%左右）、通過位于推力器底部的附加線圈在陽極附近構(gòu)造 “ 零磁場 ”區(qū)（推力器效率從 50%左右提高到 55%）、將底部附加線圈移至內(nèi)鐵心上以進一步提高軸向磁場梯度（推力器效率從 55%左右提高到 65%）。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中的應用前景將更為廣闊 [1]。 關(guān)鍵詞 漏磁；單獨勵磁；自勵磁；低頻振蕩 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計 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。哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計 論文 I 摘 要 為 適應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)化學推力器已經(jīng)成為航天推進領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。s space powers electric propulsion research in the hot, but the current in this area of our country is a big vacancy, Harbin Institute of Technology of Plasma propulsion technology generate from Russia introduced ATON thruster models, and its indepth study. Magic field shape and the magic induction of the thruster is one of the main factors affecting the performance , and was usually using the separate excitation mode under laboratory conditions. But in practice it is monly using the selfexcitation whitch can the cut the number of ponents they carry that can greatly improve the stability o