由单独励磁转换为自励磁官时进行了初步的探索设计.doc
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1、哈尔滨工业大学(威海)本科毕业设计论文摘 要为适应未来深空探测和星际旅行的技术需要,电推进装置取代传统化学推力器已经成为航天推进领域发展的必然趋势。霍尔推力器具有高效率、高比冲以及高可靠性等优点,自从1970年成功研制以来,已经广泛用于各种实际飞行任务,成为世界各航天大国电推进装置研究中的热点,而当前我国在这方面的研究存在很大的空缺,为此哈尔滨工业大学等离子推进技术研究所从俄罗斯引进了ATON型霍尔推力器,并对其进行了深入的研究。推力器的磁场位形及磁感应强度是影响其性能的主要因素之一,通常实验室条件下采用的是单独励磁的模式,而在实际航天应用通常采用的是自励磁的模式,这样可以大大的减少推力的重量
2、与其所携带的电源数量,因此也大大的提高了其工作稳定性,本文主要是针对由单独励磁转换为自励磁时进行了初步的探索,首先对单独励磁转换为自励磁时内线圈的空间问题进行了软件仿真与实验研究,然后根据其结果我们找出了在ATON机型上能够转换为自励磁的区域,在该区域内针对某一工况点在单独励磁模式下与自励磁模式下的工作特性进行了对比分析,最后我们对自励磁霍尔推力器放电稳定性问题进行了探索性研究。关键词 漏磁;单独励磁;自励磁;低频振荡AbstractIn order to meet future deep-space exploration and interplanetary travel technolo
3、gy needs, electric propulsion thrusters to replace the traditional chemical field of space propulsion has become 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 va
4、rious practical mission to become the worlds 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 in-depth study
5、. Magnetic field shape and the magnetic 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 commonly using the self-excitation whitch can the cut the number of component
6、s they carry that can greatly improve the stability of their work. This paper is directed by a preliminary exploration when the separate excitation changed to self-excitation. First, according to the convert from the excitation of the coil space problem ,we used the software simulation and experimen
7、tal research, and based on the results we find the area whitch can be converted to self-excitation in the ATON models. In the region according to a particular operating point in the separate and self-excitation, we compared and analyzed the operating characteristics. And finally we made the explorat
8、ive study about the discharge stability of the self-excitation.Key words field leakage flux, independent excitation, self-excitation, self-excitation目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的来源以及研究的目的和意义11.1.1 课题的来源11.1.2 研究的目的和意义11.2 霍尔推力器的励磁模式21.3国内外在该方向的研究现状及分析51.4本文主要研究内容7第2章 自励磁霍尔推力器设计82.1 引言82.2 实验系统与软件介
9、绍82.2.1 实验系统的介绍82.2.2 FEMM软件的介绍92.2.3 高斯计的使用与介绍112.3 自励磁霍尔推力器磁场等效122.3.1 内磁芯打薄132.3.2 打薄后的应力问题152.3.3 打薄后对磁场的影响172.3.4 磁芯变粗后的分析212.4 本章小结22第3章 自励磁霍尔推力器工作特性区域的研究233.1 霍尔推力器推力的测试方法233.2 自励磁霍尔推力器工作区域研究243.2.1 实验的方法与测量结果243.2.2 实验结果分析263.3 小结29第4章 自励磁霍尔推力器工作特性与稳定性分析304.1 引言304.2 自励磁霍尔推力器工作特性的研究304.2.1 实
10、验设计304.2.2 实验结果314.2.3 实验结果分析344.3 自励磁霍尔推力器的稳定性研究364.3.1 实验设计364.3.2 实验结果与分析374.4 小结40结 论41参考文献43致 谢44附 录4554第1章 绪论1.1 课题的来源以及研究的目的和意义1.1.1 课题的来源本课题来源于国家自然科学基金项目自励模式霍尔推力器励磁放电闭环耦合效应研究NO.51007014。1.1.2 研究的目的和意义随着航天技术的发展和人类航天任务的不断增加,航天器要求推进系统质量更轻、体积更小和效率更高,因此比冲高、寿命长、结构紧凑、体积小和污染轻的电推进受到航天界的注意和青睐。美国、俄罗斯、欧
11、空局和日本在电推进的研究和应用方面获得了巨大成功,不同类型和不同特点的电推进在空间航天器上得到了广泛应用。在需求牵引和其它技术发展的支持下,各国都制订了庞大的电推进研究应用计划,一方面提高现有电推进系统的性能和可靠性;另一方面加紧新型电推进技术的研究,电推进在未来航天任务中的应用前景将更为广阔1。霍尔推力器(Hall Thruster)作为一种典型的电推进装置,以其效率高,工作寿命长,功率密度高,比冲适中等优点引起世界各航天大国的广泛关注并成为航天推进领域研究和投入的热点方向。霍尔推力器是利用电场和磁场共同作用将电能转换为工质动能的一种功能转换装置。由于其与传统化学推进相比,电推进系统的比冲比
12、化学推进高出几倍,甚至十几倍,能减少携带推进剂的质量,可以提高卫星有效载荷,增加卫星经济效益。从霍尔推力器的发展历史看,每一次标志性的进步,无不伴随着磁场设计技术瓶颈的突破,如上世纪50年代末提出的“正梯度”磁场位形(推力器效率由20%30%提高到近40%)、磁路系统设计中将宽磁极变为窄磁极以提高轴向磁场梯度(推力器效率从40%提高到50%左右)、通过位于推力器底部的附加线圈在阳极附近构造“零磁场”区(推力器效率从50%左右提高到55%)、将底部附加线圈移至内铁心上以进一步提高轴向磁场梯度(推力器效率从55%左右提高到65%)。目前,霍尔推进器的励磁方式主要是他励方式,但是其低频振荡大,而自励
13、磁的方式却很好的抑制了这一点,因此随着航天技术的发展,对霍尔推进器的要求势必越来越高,因此对自励磁方式的研究也必将纳入正轨。同时,与化学推进系统相比,电推进系统可携带更少的推进剂,相应地可大大提高有效载荷。但是电推进系统会增加电源模块,这对可靠性提出了更高的要求。对于电推进系统,推进剂重量会由系统寿命等要求确定,如果能够简化电源模块、减小电源模块重量,则可进一步提高有效载荷。同时由于电源的简化也会提高整个电推进系统可靠2。推力器放电通道内磁场既可以由高磁能积的永久磁铁产生,也可以由电磁铁在电磁线圈中通电流产生。对于电磁线圈结构的霍尔推力器可运行于他励模式和自励模式下。这三种励磁方式各有优缺点,
14、适用于不同类型的推力器和场合。永久磁铁励磁主要通常应用在在微小卫星平台上的小尺寸低功率推力器。而在他励模式下,每个励磁线圈都由单独的直流电源供电,这种模式最大的优点是推力器在放电运行过程中,通过调节每个励磁线圈电流,可以改变磁场大小及位形,从而可以更好的研究磁场对霍尔推力器放电的影响。自励模式下,即把所有线圈串联进主放电回路当中,工作时放电电流即线圈励磁电流,与他励模式相比,自励模式可以节省三个电源,而且初步的实验发现,自励模式的低频振荡的影响非常小,自励模式霍尔推力器将放电电流作为励磁电流引入励磁系统形成磁场,减少电能变换器的个数,简化供电系统设计,提高了卫星的有效载荷、电能转换效率和可靠性
15、。1.2 霍尔推力器的励磁模式霍尔推力器是利用电场和磁场共同作用将电能转换为工质动能的一种功能转换装置。其结构如Error! Reference source not found.所示,它一般具有中空共轴结构,通道内存在沿径向方向的磁场和沿轴向方向的电场。阴极发射电子,电子群在向阳极运动的过程中被磁场束缚并在通道内作拉莫尔回旋运动,在正交电磁场作用下形成沿圆周方向的定向闭环漂移运动,同时被磁场束缚的电子群与注入通道的中性推进剂原子(一般为具有较大原子质量的惰性气体,通常为氙气)之间发生碰撞,使中性原子电离产生离子和电子。这些电子一方面用来提供电流,维持放电,另一方面继续电离中性原子。由于离子质
16、量远大于电子质量,具有较大的拉莫尔半径(通常是米的数量级),而推力器通道长度一般只有几厘米,因此离子几乎不受通道内磁场的影响,在轴向电场作用下高速喷出,产生反作用力为航天飞行器提供动力。作为一种典型的磁约束等离子体放电装置,磁场在其工作过程占有极其重要的基础物理地位。推力器放电通道内磁场既可以由高磁能积的永久磁铁产生,也可以由电磁铁在电磁线圈中通电流产生。对于电磁线圈结构的霍尔推力器可运行于他励模式和自励模式下。这三种励磁方式各有优缺点,适用于不同类型的推力器和场合。图1-1 霍尔推力器结构示意图(1) 永久磁铁励磁 由相似设计理论,推力器所需磁场与推力器尺寸成反比,这样对于小尺寸的推力器,电
17、磁线圈励磁结构不能满足要求。强磁场需要大的励磁电流,会使线圈熔断或者因为过热而使线圈绝缘损坏,导致电路发生短路故障。在微小卫星平台上,小尺寸低功率推力器通常使用永久磁铁励磁。尽管永久磁铁不能调节磁场,但它有其独有的优点,例如:无功率损耗,可提高推力器整体效率;减少推进系统的质量;降低温度;减少复杂度,在一定程度上可提高可靠性;减少推力器的成本;无需励磁电源。图1-2所示为采用永久磁铁励磁的霍尔推力器结构示意图。图中SmCo为钐钴永磁体,是霍尔推力器常用的永磁材料。图1-2 永久磁铁励磁的霍尔推力器结构示意图(2) 电磁线圈励磁 对于功率范围在200W至5KW的霍尔推力器,通常利用若干个电磁线圈
18、去产生放电通道内所需的磁场,励磁线圈分别由单独稳流直流源供电,通道内磁场为所有励磁线圈产生磁场的代数叠加,励磁线圈与导磁材料构成霍尔推力器的励磁系统,磁线圈励磁的推力器可工作于他励模式或自励模式。a、他励模式在实验室中,通常电磁线圈励磁结构的推力器运行在他励模式下,即每个励磁线圈由单独的直流电流源供电,这种模式最大的优点是推力器在放电运行过程中,通过调节每个励磁线圈电流,可以改变磁场大小及位形,从而可以更好的研究磁场对霍尔推力器放电的影响。b、自励模式在实际航天应用当中,电磁线圈结构的霍尔推力器需要运行在自励模式下,即把所有线圈串联进主放电回路当中,工作时放电电流即线圈励磁电流。推力器点火之前
19、,放电通道空间不存在所需磁场。自励模式励磁的优点在于可以省去他励模式中的对所有线圈励磁的直流电流源,可以简化电路提高推进系统可靠性,电源的减少能够增加卫星系统的有效载荷。缺点在于推力器放电工作时,磁场不可调节,在自励磁模式下运行时磁场应该最优化,使推力器工作在最优放电工作点下。电磁线圈励磁结构的缺点如下:(1)相比永久磁铁励磁,会产生更多的热量。在真空特殊环境中,热量累积会对推力系统和卫星上其它设备产生影响;(2)如果因为电流过大等原因而使线圈熔断,会导致推力器失效;(3)存在线圈导线绝缘问题,绝缘失败也会使推力器失效。因为永久磁铁与电磁线圈励磁各自优缺点,也有相关研究结合二种励磁方式以产生所
20、需合适的磁场3。永久磁铁励磁模式下磁场由永久磁铁产生,磁场为静态,放电电流与磁场之间不存在耦合效应。他励模式下,磁场由电磁线圈产生,尽管主放电回路与励磁线圈回路之间物理隔离,但放电与磁场振荡之间存在电磁感应空间耦合效应,此时磁场为准静态。自励模式霍尔推力器将宽谱振荡的放电电流引入励磁系统作为励磁电流产生磁场,由此形成了励磁和等离子体放电的闭环反馈系统。霍尔推力器不同励磁模式物理耦合过程示意图如图1-3所示,不同励磁模式特点对比如表1-1所示。表11 不同励磁模式特点对比电磁线圈励磁永久磁铁励磁他励模式自励模式推力器200W5KW 霍尔推力器微小霍尔推力器可控性影响因素相对较少、可控性较好励磁与
21、放电交互影响,影响因素多,物理过程复杂磁场不受放电影响,磁场不可控,磁场应设计为最优可靠性电能变换器数量多,可靠性差省去所有励磁电源,可靠性高无励磁线圈,省去所有励磁电源,可靠性高有效载荷供电系统、测控系统庞大,有效载荷低降低供电系统质量,有效载荷高降低供电系统质量,有效载荷高适用场合多数用于地面实验空间运行地面实验和空间运行图1-3 霍尔推力器不同励磁模式物理耦合过程示意图1.3国内外在该方向的研究现状及分析磁场对等离子体的影响无论在霍尔推力器研究还是其他磁约束等离子体装置研究领域一直以来都是极其重要的学术方向4,5。密西根大学研究了NASA-173M推力器出口处磁极形状、相对位置以及磁屏改
22、变后对磁场位形的影响,并测量了不同磁路结构下的羽流发散角,结果表明最优的磁路结构形成的羽流聚焦长度最短,磁屏在磁路中的主要作用在于改变通道中磁场的弯曲程度6。通过调节磁场该型号推力器及其改进型号可以在高放电电压下保持较好的性能参数7,8。普林斯顿大学的学者针对小功率霍尔推力器效率较低的问题,提出了一种新的磁回路构型以增大径向磁场分量,提高电离率9,有效的提高了他励模式霍尔推力器的效率;康奈尔大学利用自建的霍尔推力器数学模型预测了磁场对于推力器羽流区的影响,与实验结果吻合的较好10。国际一流的航空与航天工业集团法国的斯奈克玛与Fakel合作11,在阳极区域增加一个“零磁场区”,成功研制出性能优于
23、第一代霍尔推力器的PPS1350,为了使PPS1350可以在更高的放电电压下运行,研究人员在导磁底板与通道壁面之间的空间中增加了一个线圈用于产生更高的磁通研制出PPS1350的升级版本PPS1350MLM,实验结果显示在新磁场设计下推力器的推力有所提高,但是比冲和效率几乎没有变化12。图卢兹大学通过实验及数值仿真研究磁场形貌对推力器寿命及运行工况的影响,磁场强度的分布影响等离子体放电振荡的频率,而改变零磁点在通道中的位置,可以影响通道中电场分布,进而影响振荡强度13。日本的大阪大学在THT系列的推力器上做了磁场对放电电流影响的实验,取得了很好的研究成果,实验表明放电电流对磁场形状和磁场强度都很
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- 单独 转换 自励 磁官时 进行 初步 探索 设计
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