【正文】 ......................................... 36 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 ................................................................................ 37 小結(jié) .............................................................................................................. 40 結(jié) 論 ........................................................................................................................ 41 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................... 43 致 謝 ........................................................................................................................ 44 附 錄 ........................................................................................................................ 45 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 1 第 1 章 緒論 課題的來源以及研究的目的和意義 課題的來源 本課題來源于國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《自勵(lì) 模式霍爾推力器勵(lì)磁放電閉環(huán)耦合效應(yīng)研究》 。推力器的磁場位形及磁感應(yīng)強(qiáng)度是影響其性能的主要因素之一，通常實(shí)驗(yàn)室條件下采用的是單獨(dú)勵(lì)磁的模式，而在實(shí)際航天應(yīng)用 通常采 用的是自勵(lì)磁的模式，這樣可以大大的減少推力的重量與其所攜帶的電源 數(shù)量，因此也大大的提高了其工作穩(wěn)定性，本文主要是針對由單獨(dú)勵(lì)磁轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁時(shí)進(jìn)行了初步的探索，首先對單獨(dú)勵(lì)磁轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁時(shí)內(nèi)線圈的空間問題進(jìn)行了軟件仿真與實(shí)驗(yàn)研究，然后根據(jù)其結(jié)果我們找出了在 ATON 機(jī)型上能夠轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)針對某一工況點(diǎn)在單獨(dú)勵(lì)磁模式下與自勵(lì)磁模式下的工作特性進(jìn)行了對比分析，最后我們對自勵(lì)磁霍爾推力器放電穩(wěn)定性問題進(jìn)行了探索性研究 。哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 I 摘 要 為 適應(yīng)未來深空探測和星際旅行的技術(shù)需要，電推進(jìn)裝置取代傳統(tǒng)化學(xué)推力器已經(jīng)成為航天推進(jìn)領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢?；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(shí)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。 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。 研究的目的和意義 隨著航天技術(shù)的發(fā)展和人類航天任務(wù)的不斷增加，航天器要求推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量更輕、體積更小和 效率更高，因此比沖高、壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小和污染輕的電推進(jìn) 受到航天界的注意和青睞。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(jìn)研究應(yīng)用計(jì)劃，一方面提高現(xiàn)有電推進(jìn)系統(tǒng)的性能和可靠性；另一方面加緊新型電推進(jìn)技術(shù)的研究，電推進(jìn)在未來航天任務(wù)中的應(yīng)用前景將更為廣闊 [1]。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。 從霍爾推力器的發(fā)展歷史看 ， 每一次標(biāo)志性的進(jìn)步，無不伴隨著磁場設(shè)計(jì)技術(shù)瓶頸的突破，如上世紀(jì)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(shè)計(jì) 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(jìn)一步提高軸向磁場梯度（推力器效率從 55%左右提高到 65%）。 同時(shí)， 與化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)相比，電推進(jìn)系統(tǒng)可 攜帶 更少的推進(jìn)劑，相應(yīng)地可大大提高有效載荷。對于電推進(jìn)系統(tǒng)，推進(jìn)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(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 化電源模塊、減小電源模塊重量，則可進(jìn)一步提高有效載荷。 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。這三種勵(lì)磁方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同類型的 推力器和場合。而在他勵(lì)模式下，每個(gè)勵(lì)磁線圈都由單獨(dú)的直流電源供電， 這種模式最大的優(yōu)點(diǎn)是推力器在放電運(yùn)行過程中，通過調(diào)節(jié)每個(gè)勵(lì)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 。 霍爾推力器的勵(lì)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。 所示，它一般具有中空共軸結(jié)構(gòu) ， 通道內(nèi)存在沿徑向方向的磁場和沿軸向方向的電場。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。 作為一種典型的磁約束等離子體放電裝置，磁場在其工作過程占有極其重要的基礎(chǔ)物理地位。對于電磁線圈結(jié)構(gòu)的 霍爾推力器 可運(yùn) 行于他勵(lì)模式和自勵(lì)模式下。 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(lì)磁結(jié)構(gòu)不能滿足要求。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(lì)磁。 圖 12所示 為采用永久磁鐵勵(lì)磁的霍爾推力器結(jié)構(gòu)示意圖。 圖 12 永久磁鐵勵(lì)磁的霍爾推力器結(jié)構(gòu)示意圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 (2) 電磁線圈勵(lì)磁 對于功率范圍在 200W至 5KW的霍爾推力器，通常利用若干個(gè)電磁線圈去產(chǎn)生放電通道內(nèi)所需的磁場 ， 勵(lì)磁線圈分別由單獨(dú)穩(wěn)流直流源供電 ， 通道內(nèi)磁場為 所有勵(lì)磁線圈產(chǎn)生磁場的代數(shù)疊加 ， 勵(lì)磁線圈與導(dǎo)磁材料構(gòu)成霍爾推力器的勵(lì)磁系統(tǒng) ， 磁線圈勵(lì)磁的推力器可工作于他勵(lì)模式或自勵(lì)模式。 b、自勵(lì)模式 在實(shí)際航天應(yīng)用當(dāng)中，電磁線圈結(jié)構(gòu)的霍爾推力器需要運(yùn)行在自勵(lì)模式下，即把所有線圈串聯(lián)進(jìn)主放電回路當(dāng)中，工作時(shí)放電電流即線圈勵(lì) 磁電流。自勵(lì)模式勵(lì)磁的優(yōu)點(diǎn)在于可以省去他勵(lì)模式中的對所有線圈勵(lì)磁的直流電流源，可以簡化電路提高推進(jìn)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。 電磁線圈勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)如下： (1)相比永久磁鐵勵(lì)磁，會產(chǎn)生更多的熱量。因?yàn)橛谰么盆F與電磁線圈勵(lì)磁各自優(yōu)缺點(diǎn)，也有相關(guān)研究結(jié)合二種勵(lì)磁方式以產(chǎn)生所需合適的磁場 [3]。他勵(lì)模式下，磁場由電磁線圈產(chǎn)生，盡管主放電回路與勵(lì)磁線圈回路之間物理隔離，但放電與磁場振蕩之間存在電磁感應(yīng)空間耦合效應(yīng)，此時(shí)磁場為準(zhǔn)靜態(tài)?；魻柾屏ζ?不同勵(lì)磁模式物理 耦合過程示意圖 如 圖 13 所示 ， 不同勵(lì)磁模式特點(diǎn) 對比如 表 11 所示 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 密西根 大學(xué)研究了 NASA173M推力器 出口處磁極形狀、相對位置以及磁屏改變后對磁場位形的影響，并測量了不同磁路結(jié)構(gòu)下的羽流發(fā)散角，結(jié)果表明最優(yōu)的磁路結(jié)構(gòu)形成的羽流聚焦長度最短，磁屏在磁路中的主要作用 在于改變通道中磁場的彎曲程度 [6]。普林斯頓 大學(xué) 的學(xué)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(lì)模式霍爾推力器的效率 ； 康奈爾 大學(xué)利用自建的霍爾推力器數(shù)學(xué)模型預(yù)測了磁場對于推力器羽流區(qū)的影響，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的較好 [10]。 圖盧茲 大學(xué)通過實(shí)驗(yàn)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頻率，而改變零磁點(diǎn)在通道中的位置，可以影響通道中電場分布，進(jìn)而影響振蕩強(qiáng)度[13]。從地面研究的角度上看， 他勵(lì)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(qiáng)度、分布對等離子體影響的實(shí)驗(yàn)條件 ；從航天應(yīng)用的角度上，自勵(lì)模式霍爾推力器可靠性高、有效載荷高逐步得到各航天應(yīng)用單位的認(rèn)可。 盡管自勵(lì)模式霍爾推力器相對他勵(lì) 模式具有明顯的優(yōu)勢，但由于其內(nèi)部耦合過程相對復(fù)雜針對自勵(lì)模式霍爾推力器的理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于空間應(yīng)用快速發(fā)展的要求，多年來等離子體中的各種耦合現(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)域國際上一些學(xué)者和機(jī)構(gòu)也開始從動態(tài)和耦合的角度研究霍爾推力器的磁場問題，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。密西根大學(xué)的 Galimore通過高速往復(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靜態(tài)磁場的影響。哈爾濱工業(yè)大學(xué)等離子推進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 2020年在國際上報(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 動態(tài)磁場與等離子體相互作用的 研究思路。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)。 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，但在啟動時(shí)，需要另一個(gè)電源來預(yù)熱陰極和為啟動器充電。放電后，主放電室被激化，產(chǎn)生等離子體，此時(shí)啟動器和加熱電源關(guān)畢。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)起來工作，并只用一個(gè)電源供電。 目前的 ATON是無法 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)磁需要研究的問題，如何解決磁場強(qiáng)度和放電電流的關(guān)系是需要首先評估的?？梢哉f，如果能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機(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。 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所示除磁場測量試驗(yàn)外，全部實(shí) 驗(yàn)均在真空罐中進(jìn)行。 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 9 1加速通道； 2陽極； 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)磁場分布的計(jì)算采用的軟件是 FEMM（ Finite Element Mehtod Magics），版本 。其主要應(yīng)用于靜電分析；線性、非線性靜磁分析；瞬態(tài)、諧波磁場分析。計(jì)算過程中，我們對推力器按 1:1建模，略去不導(dǎo)磁部分。 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。 在以后的模擬時(shí)磁芯存在磁飽和的問題，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(yīng)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(yīng)的牌號為 50КФ(俄羅斯 )、 Permendur(英國 )、 Supermendur(美國 )、 HiperCo50(美國 )。 ATON 通道內(nèi)的磁場位形 歸結(jié)為兩個(gè)方面： (1)磁場強(qiáng)度沿通道軸向的分布； (2)磁力線形貌。 本測量實(shí)驗(yàn)采用的是 Lakeshore 公司的 421 型高斯計(jì)，如 25 所示。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科