【正文】 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)動機通道中心的磁感應(yīng)強度 圖 218中線圈的匝數(shù)為 N1=105， N2=270， N3=137。 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(jìn)行計算， 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，由于右端是通過螺紋固定在發(fā)動機上，所以，圖中 D 點所受應(yīng)力最大，所以校核時只需校核 D 點即可， a a b c d A B C D 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計論文 16 (1) 求擋板的質(zhì)量 mt ? ?1 a b c da b c d2 2 2 2a b c d23 2 2 34 4 4 47. 46 10 kgm m m m mV V V Vd d d d?? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ??????? (24) (2) 求所繞線圈的質(zhì)量 按給定的那個工況 N2=273 匝計算，軸向并排可繞 21 匝，所以總共可繞 13圈，以第 7 圈為中心，線圈總體積 VN 73 4 33222 1 8 . 522D?????? ? ? ????? (25) 可求出： 7N 5 .9 3 1 0V ??? (26) 3NN 5. 31 10 kgMV? ?? ? ?銅 (27) (3) 中心軸的質(zhì) 量 m2 ? ?22 A B C 4dm m m m A B C??? ? ? ? ? ?細(xì) (28) 可求得： 32 10 kgm ?? (29) (4) 最大彎矩點 D 點處所受的力矩為 ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?3 3 3c d c b3 3 3a C B33AN2 10 45 10 62 10 10 24 10 54 10 10 10 N mM M g a M g a M g aM g a M g a M g aM g a M g a? ? ?? ? ???? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ??? (210) (5) D 點處最大彎曲正應(yīng)力 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計論文 17 ? ?? ?m a xm a x 33 30 . 1 0 . 13 1 032 323 7 . 7 M P a 4 9 0 M P aMdW?? ???? ? ??? ? ? (211) 由上可得，在發(fā)動機工作過程中，內(nèi)磁芯不會有斷 裂的危險。 ? ?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 17 .5 21 21 1 *1 .1 17 .521 21Nr 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。對于內(nèi)磁芯來說，空間有限因此可以嘗試通過打薄內(nèi)磁芯來增加其內(nèi)部空間。 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”，消除地磁場的影響； (2)固定探頭，確定基準(zhǔn)點； (3)確定探頭測量起點和終點； (4)選擇量程，進(jìn)行測量； (5)拆卸探頭。 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。 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(jìn)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。 針對磁場強度沿軸向的分布，可以采用高斯計來測量。 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。 圖 24 輸出界面 在完成仿真后還可以通過 以下程序進(jìn)行計算通道中心各處的磁場強度： 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) 可以通過修改 x， y 的坐標(biāo)算出模型內(nèi)各點的坐標(biāo)。 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。 FEMM簡單易學(xué)、求解速度快、計算精度高，是一個面向 PC的采用交互式環(huán)境的免費軟件，使得較復(fù)雜的問題采用普通的計算機就可以求解。 FEMM是一款用于計算給定磁路系統(tǒng)下磁場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稱模型的分析。推力器使用氙 氣 做推進(jìn)工質(zhì)，陽極流量 3mg/s，陰極流量 ，推力器主放電電壓 300V。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。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。 因此，必須采取措施，解 決磁場強度強度不夠的問題。這樣電源個數(shù)減少了，優(yōu)勢是明顯的，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。 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 )。此時陰級加熱器 向陰極提供穩(wěn)定電流；啟動器充電后，啟動器在陰極和啟動器電極之間產(chǎn)生一個高壓脈沖，在電極間形成放電。 本文主要研究內(nèi)容 本文主要的結(jié)構(gòu)是對自勵磁模式下的霍爾推力器盡心設(shè)計，主要包括從單獨勵磁的模式下轉(zhuǎn)換到自勵磁模式，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)線圈空間的問題，可操作性比較強的主要是將磁芯打薄，再打薄后磁芯變細(xì)，因此需要計算磁芯工作時的應(yīng)力問題、熱問題、漏磁問題等一系列問題，而在本文的第三章主要介紹了自勵磁模式下的霍爾推力器工作區(qū)域的研究，通過第二章的研究發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前 ATON發(fā)動機上有些工況是不能進(jìn)行轉(zhuǎn)換成自勵磁模式的，因此，我們在此對 ATON發(fā)動機找到了一個能轉(zhuǎn)換為自勵磁模式的區(qū)域，然后針對某個工況點在自勵磁模式下與單獨立此模式下進(jìn)行了研究與對比，在最后一章里，我們主要是通過實驗在自勵磁模式下的放電回路中并入一些電子元件，如電阻、電容，觀察對發(fā)動機振蕩的影響，以此來進(jìn)一步提高發(fā)動機的性能，使其工作更趨于穩(wěn)定。此后，狄更斯大學(xué)的 Hans教授驗證了這一結(jié)果，并隨后開始研究勵磁與放電的耦合問題。這些研究為勵磁模式霍爾推力器的理論研究工作的進(jìn)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)。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。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 ，在空間運行的霍爾推力器一般采用自勵模式 。日本的 大阪 大學(xué)在 THT系列的推力器上做了磁場對放電 電流影響的實驗，取得了很好的研究成果，實驗表明放電電流對磁場形狀和磁場強度都很敏感 [14]。國際一流的航空與航天工業(yè)集團(tuán)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]。 通過調(diào)節(jié)磁場該型號推力器及其改進(jìn)型號可以在高放電電壓下保持較好的性能參數(shù) [7,8]。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計論文 5 表 11 不同勵磁模式特點 對比 電磁線圈勵磁 永久磁鐵勵磁 他勵模式 自勵模式 推 力器 200W–5KW 霍爾推力器 微小霍爾推力器 可控性 影響因素相對較少、可控性較好 勵磁與放電交互影響，影響因素多，物理過程復(fù)雜 磁場不受放電影響，磁場不可控，磁場應(yīng)設(shè)計為最優(yōu) 可靠性 電能變換器數(shù)量多，可靠性差 省去所有勵磁電源，可靠性高 無勵磁線圈，省去所有勵磁電源，可靠性高 有效載荷 供電系統(tǒng)、測控系統(tǒng)龐大，有效載荷低 降低供電系統(tǒng)質(zhì)量，有效 載荷高 降低供電系統(tǒng)質(zhì)量，有效載荷高 適用場合 多數(shù)用于地面實驗 空間運行 地面實驗和空間運行 圖 13 霍爾推力器 不同勵磁模式物理 耦合過程示意圖 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析 磁場對等離子體的影響無論在霍爾推力器研究還是其他磁約束等離子體裝置研究領(lǐng)域一直以來都是極其重要的學(xué)術(shù)方向 [4,5]。 自勵模式霍爾推力器將寬譜振蕩的放電電流引入勵磁系統(tǒng)作為勵磁電流產(chǎn)生磁場，由此形成了勵磁和等離子體放電的閉環(huán)反饋系統(tǒng) 。 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)。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。缺點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)放電工作點下。推力器點火之前，放電通道空間不存在所需磁場。 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。圖中 SmCo為釤鈷永磁體，是霍爾推力器常用的永磁材料。盡 管永久磁鐵不能調(diào)節(jié)磁場，但它有其獨有的優(yōu)