【正文】 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。 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。 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。 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。 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)。 打薄后對(duì)磁場(chǎng)的影響 （一） 對(duì)于打薄位置的分析 要想繞更多的線圈，打薄是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，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(dòng)機(jī)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?jī)?nèi)徑都打薄后對(duì)通道中心處的磁場(chǎng)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(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 圖 214 只打薄磁芯內(nèi)線圈處的磁場(chǎng)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(chǎng) 分布 圖 216 全部?jī)?nèi)徑都打薄的磁場(chǎng)分布 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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(chǎng)”消失，而通過(guò)圖214 與圖 215 對(duì)比可以看出全部打薄時(shí)“零磁場(chǎng)”區(qū)域更大，更明顯，因此磁芯采用全部打薄的方式。圖 219線圈的匝數(shù)為N1=105， N2=172， N3=81。 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(yīng)強(qiáng)度之差B/G 圖 220 磁芯打薄對(duì)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(wèn)題，但是通過(guò)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(yīng)強(qiáng)度下降仍然很嚴(yán)重，那么我們又有了一種新的思路，會(huì)不會(huì)在原有磁芯半徑 7mm 的基礎(chǔ)上增大磁芯直徑，會(huì)不會(huì)使通道中心的磁感應(yīng)強(qiáng) 度增大 呢？如圖221 可 以看出磁芯半徑 為 7mm時(shí)通道中心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)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。 本章小結(jié) 通過(guò)本章 的分析可知，傳統(tǒng)的觀念中， ATON 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型要想轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?lì)磁模式受空間限制，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(méi)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(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很棘手的新問(wèn)題 —— 漏磁 問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分析后，目前這個(gè)問(wèn)題很難解決，所以在 ATON 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型上有些工況是不能轉(zhuǎn)換為自勵(lì)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(duì)這個(gè)區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的劃分。 霍爾推力器推力的測(cè)試方法 推力器推力測(cè)量主要有兩種方法，一是位移測(cè)量法（ displacement type mesurement），二是載荷單元法（ load cells）。如圖 31 所示： 圖 31 推力器的推力測(cè)量裝置 采用鐘擺測(cè)量原理，推力器安裝于懸浮的推力臺(tái)上，測(cè)量過(guò)程中，用渦流式氣敏元件（靈敏性高，線性化好）探測(cè)推力器的位移， 用砝碼和偏置尖底設(shè)備進(jìn)行推力校準(zhǔn)。測(cè)得推力后可根據(jù)以下公式計(jì)算出工質(zhì)的平均噴出速度、比沖和效率 [16]。 實(shí)驗(yàn)的方法與測(cè)量結(jié)果 （一）實(shí)驗(yàn)方法 本實(shí)驗(yàn)是對(duì)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。 為了保證推力器 工作在設(shè)計(jì)功率范圍內(nèi)， 在低電壓 300V 時(shí) ，陽(yáng)極流量 選 為 4mg/s、 、 、 ， 放電電壓為 400V 時(shí)，陽(yáng)極流量為 、 3mg/s、 ，在高電壓 500 時(shí)，陽(yáng)極流量為 ， 陰極流量 ，陰極電源電流 ，實(shí)驗(yàn)用工質(zhì)為氙氣。 （二） 實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 25 針對(duì)于 ATON發(fā)動(dòng)機(jī)能轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式的區(qū)域的劃分，我們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，利用 matlab對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)分析找出其中的一些規(guī)律， 附表一是放電電壓為 300V時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的幾個(gè)工況點(diǎn)的性能值，由于磁安特性曲線是反映發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要曲線，因此我們先根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)將放電電壓為 300V時(shí)的 曲線作出來(lái)，由此來(lái)觀察在伏安特性曲線上可以轉(zhuǎn)為自勵(lì)磁模式 的區(qū)域， 圖 32是放電電壓為 300V時(shí)所作的磁安特性曲線，圖中帶‘ ’的點(diǎn)是說(shuō)明能轉(zhuǎn)化為自勵(lì)磁的工況點(diǎn)，未標(biāo)注的點(diǎn)是不能轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式的點(diǎn)，我們?cè)儆^察放電電壓為 400V時(shí) ATON發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)情況，附表二是發(fā)動(dòng)機(jī)在放電電壓在 400V時(shí)的實(shí)驗(yàn)情況，據(jù)此我們首先做出其磁安特性曲線如圖 33所示，而對(duì)于放電電壓為500V時(shí)，由于放電電壓很大，且磁安特性曲線的右側(cè)上升的比較緩慢，因此在增大勵(lì)磁電流時(shí)，回路中的放電電流增加的不明顯，為了更好的分辨開(kāi)磁安特性曲線右邊的點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)我們加大了勵(lì)磁電流，但是 非常 不幸運(yùn)，但勵(lì) 磁 電流增大到 ，內(nèi)線圈被燒斷了，因此放電電流為 500V時(shí)我 們只測(cè)了一組數(shù)據(jù)如附表三所示，同樣我們做出其磁安特性曲線，并用‘ ’標(biāo)記能轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁的點(diǎn)，如圖 34所示，通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)根本不是想象到的那樣，本來(lái)一天的實(shí)驗(yàn)往往會(huì)做好幾天，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這樣或者那樣的問(wèn)題，而且有的東西還需要熟能生巧，比如好的工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)，這是個(gè)很有技術(shù)的活，雖然看似簡(jiǎn)單，但是往往需要我們多動(dòng)手去調(diào)，量變總會(huì)引起質(zhì)變的， 100 200 300 400 500 600 7002 . 533 . 544 . 555 . 56通道中心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度 B / G示值電流I/A放電電壓 300V 4 m g / s3 . 5 m g / s3 m g / s2 . 5 m g / s 圖 32 放電電壓為 300 的磁安特性曲線 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 26 100 150 200 250 300 350 400 450 5001 . 522 . 533 . 544 . 555 . 56通道中心最大磁感應(yīng)遷都 B / G相應(yīng)工況點(diǎn)的示值電流I/A放電電壓 400V 2 m g / s2 . 5 m g / s3 m g / s 圖 33 放電電壓為 400V 的磁安 特性曲線 100 200 300 400 500 600 700 8002 . 62 . 833 . 23 . 43 . 63 . 84通道中心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度 B / G相應(yīng)工況點(diǎn)的示值電流I/A放電電壓 500V 2 . 5 m g / s 圖 34 放電電壓為 500V 的磁安特性曲線 且實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中我們一定要耐心而且要學(xué)會(huì)積極應(yīng)變的能力，其實(shí)有的時(shí)候?qū)嶒?yàn)根本不是按照我們?cè)O(shè)想的路線去發(fā)展，尤其是探索性的實(shí)驗(yàn)，因此我們要隨時(shí)的變換我們的思維去想象一些我們從沒(méi)想過(guò)的思路。 其實(shí)反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)推力的分析來(lái)剖析不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)強(qiáng)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(shí)的推力 時(shí) 推力器在不同質(zhì)量流量下的推理情況，上圖中標(biāo)‘ ’的表示在 ATON 發(fā)動(dòng)機(jī)中可以轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式的點(diǎn)，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(lì)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(gè)工況點(diǎn)是效率很低的點(diǎn)，而最優(yōu)工況點(diǎn)是是因?yàn)閯?lì)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(lì)磁模式的區(qū)域，因此在 ATON 機(jī)型上做自勵(lì)磁的轉(zhuǎn)換，必須要在最優(yōu)工況點(diǎn)的左邊找一個(gè)工況點(diǎn)，雖然以犧牲發(fā)動(dòng)機(jī)的一些效率為前提，但是，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)自勵(lì)磁模式的轉(zhuǎn)換，也是可行的。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 30 第 4 章 自勵(lì)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(duì) ATON 發(fā)動(dòng)機(jī)可以轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式的區(qū)域進(jìn)行了劃分，在本章中我們針對(duì)某個(gè)工況轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式對(duì)其進(jìn)行工作特性的研究， 實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同流量，不同放電電壓下自勵(lì)與他勵(lì)性能差異 ，通過(guò)對(duì)比弄清一些自勵(lì)磁模式下工作特性的規(guī)律，單獨(dú)勵(lì)磁下推力器工作時(shí)低頻振蕩比較明顯，而實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁時(shí)推力器的低頻振蕩會(huì)明顯低于單獨(dú)勵(lì)磁的模式下，在第三節(jié)中我們針對(duì)自勵(lì)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(guò)實(shí)驗(yàn)找出一些影響推力器低頻振蕩的因素。 其中推力測(cè)量的方法如第三章中所述，比沖效率的計(jì)算如公式 32，羽流的測(cè)試方法為，將一個(gè)半徑為 ，當(dāng)推力器工作時(shí)，探針從推力器的左側(cè)移動(dòng)到右側(cè)，探針就能感應(yīng)到羽流中離子電流，然后通過(guò)在測(cè)量回路中串 聯(lián)一個(gè)電阻（實(shí)驗(yàn)中串聯(lián)電阻為 100kΩ）就能讀出其值，然后再在計(jì)算中在將其轉(zhuǎn)換為電