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论文由单独励磁转换为自励磁时进行了初步的探索
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
Abstract
Inordertomeetfuturedeep-spaceexplorationandinterplanetarytraveltechnologyneeds,electricpropulsionthrusterstoreplacethetraditionalchemicalfieldofspacepropulsionhasbecometheinevitabletrendofdevelopment.Hallthrusterwithhighefficiency,highspecificimpulseandhighreliability,etchasbeensuccessfullydevelopedsince1970,andwidelyusedforvariouspracticalmissiontobecometheworld'sspacepowerselectricpropulsionresearchinthehot,butthecurrentinthisareaofourcountryisabigvacancy,HarbinInstituteofTechnologyofPlasmapropulsiontechnologygeneratefromRussiaintroducedATONthrustermodels,anditsin-depthstudy.Magneticfieldshapeandthemagneticinductionofthethrusterisoneofthemainfactorsaffectingtheperformance,andwasusuallyusingtheseparateexcitationmodeunderlaboratoryconditions.Butinpracticeitiscommonlyusingtheself-excitationwhitchcanthecutthenumberofcomponentstheycarrythatcangreatlyimprovethestabilityoftheirwork.Thispaperisdirectedbyapreliminaryexplorationwhentheseparateexcitationchangedtoself-excitation.First,accordingtotheconvertfromtheexcitationofthecoilspaceproblem,weusedthesoftwaresimulationandexperimentalresearch,andbasedontheresultswefindtheareawhitchcanbeconvertedtoself-excitationintheATONmodels.Intheregionaccordingtoaparticularoperatingpointintheseparateandself-excitation,wecomparedandanalyzedtheoperatingcharacteristics.Andfinallywemadetheexplorativestudyaboutthedischargestabilityoftheself-excitation.
Keywordsfieldleakageflux,independentexcitation,self-excitation,self-excitation
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题的来源以及研究的目的和意义1
1.1.1课题的来源1
1.1.2研究的目的和意义1
1.2霍尔推力器的励磁模式2
1.3国内外在该方向的研究现状及分析5
1.4本文主要研究内容7
第2章自励磁霍尔推力器设计8
2.1引言8
2.2实验系统与软件介绍8
2.2.1实验系统的介绍8
2.2.2FEMM软件的介绍9
2.2.3高斯计的使用与介绍11
2.3自励磁霍尔推力器磁场等效12
2.3.1内磁芯打薄13
2.3.2打薄后的应力问题15
2.3.3打薄后对磁场的影响17
2.3.4磁芯变粗后的分析21
2.4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23
3.1霍尔推力器推力的测试方法23
3.2自励磁霍尔推力器工作区域研究24
3.2.1实验的方法与测量结果24
3.2.2实验结果分析26
3.3小结29
第4章自励磁霍尔推力器工作特性与稳定性分析30
4.1引言30
4.2自励磁霍尔推力器工作特性的研究30
4.2.1实验设计30
4.2.2实验结果31
4.2.3实验结果分析34
4.3自励磁霍尔推力器的稳定性研究36
4.3.1实验设计36
4.3.2实验结果与分析37
4.4小结40
结论41
参考文献43
致谢44
附录45
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(HallThruster)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,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。
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。
其结构如图1-1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:
①无功率损耗,可提高推力器整体效率;②减少推进系统的质量;③降低温度;④减少复杂度,在一定程度上可提高可靠性;⑤减少推力器的成本;⑥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,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
200W–5KW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敏感[14]。
从地面研究的角度上看,他励模式霍尔推力器可控性好,提供了方便有效的研究磁场形貌、强度、分布对等离子体影响的实验条件;从航天应用的角度上,自励模式霍尔推力器可靠性高、有效载荷高逐步得到各航天应用单位的认可。
美国的INMARSAT4F1卫星平台的推进系统使用SPT100作为主推进装置,工作于自励模式;霍尔推力器的发明人A.I.Morozov指出,在空间运行的霍尔推力器一般采用自励模式。
尽管自励模式霍尔推力器相对他励模式具有明显的优势,但由于其内部耦合过程相对复杂针对自励模式霍尔推力器的理论研究远远落后于空间应用快速发展的要求,多年来等离子体中的各种耦合现象一直受到学者们的广泛关注和研究,在电推进研究领域国际上一些学者和机构也开始从动态和耦合的角度研究霍尔推力器的磁场问题,方向直指自励模式霍尔推力器应用的基础理论研究。
斯坦福大学的Cappelli研究了他励模式霍尔推力器周向霍尔电流引起的动态磁场的非接触测量方法,指出感应磁场的存在使推力器静态磁场的峰值分布向阳极移动并且影响通道内电子的反常输运。
密西根大学的Galimore通过高速往复探针和数值模拟结合的方法研究了霍尔推力器放电对静态磁场的影响。
这些研究为励磁模式霍尔推力器的理论研究工作的进一步开展提供的研究方法和思路,但研究仍然停留在他励模式下磁场动态问题范畴内。
哈尔滨工业大学等离子推进技术实验室2007年在国际上报道了他励模式下励磁回路与放电回路由于电磁感应形成耦合振荡的现象,探索了动态磁场与等离子体相互作用的研究思路。
此后,狄更斯大学的Hans教授验证了这一结果,并随后开始研究励磁与放电的耦合问题。
这些研究成果为今后探讨自励模式霍尔推力器中励磁与放电的相互影响开拓了思路,为自励模式霍尔推力器的理论研究奠定了基础。
1.4本文主要研究内容
本文主要的结构是对自励磁模式下的霍尔推力器尽心设计,主要包括从单独励磁的模式下转换到自励磁模式,需要安匝数的等效以及等效完成后,一般是内线圈的匝数会变得很多,由于内线圈受空间的限制,所以就涉及到怎样解决内线圈空间的问题,可操作性比较强的主要是将磁芯打薄,再打薄后磁芯变细,因此需要计算磁芯工作时的应力问题、热问题、漏磁问题等一系列问题,而在本文的第三章主要介绍了自励磁模式下的霍尔推力器工作区域的研究,通过第二章的研究发现,在当前ATON发动机上有些工况是不能进行转换成自励磁模式的,因此,我们在此对ATON发动机找到了一个能转换为自励磁模式的区域,然后针对某个工况点在自励磁模式下与单独立此模式下进行了研究与对比,在最后一章里,我们主要是通过实验在自励磁模式下的放电回路中并入一些电子元件,如电阻、电容,观察对发动机振荡的影响,以此来进一步提高发动机的性能,使其工作更趋于稳定。
第2章自励磁霍尔推力器设计
2.1引言
在实际航天应用中,霍尔推力器稳态工作时只需一个电源,但在启动时,需要另一个电源来预热阴极和为启动器充电。
此时阴级加热器向阴极提供稳定电流;启动器充电后,启动器在阴极和启动器电极之间产生一个高压脉冲,在电极间形成放电。
放电后,主放电室被激化,产生等离子体,此时启动器和加热电源关毕。
但在地面实验室研究阶段,ATON一共需要5个电源,阴极加热电源,放电电源和3个励磁电源(因为ATON有3个励磁线圈)。
那么为了适应实际航天应用的需要,必然要求把3个励磁线圈与主放电回路串联起来工作,并只用一个电源供电。
这样电源个数减少了,优势是明显的,不但可以提高由推进系统供电系统的可靠性,还可以提高卫星的有效载荷率。
目前的ATON是无法串联工作的,不同的工况下,励磁电流与放电电流的匹配是能否实现自励磁需要研究的问题,如何解决磁场强度和放电电流的关系是需要首先评估的。
因此,必须采取措施,解决磁场强度强度不够的问题。
可以说,如果能够实现发动机串联工作,是ATON由实验室研究阶段迈向实际航天应用的第一步尝试。
目前,世界上关于此类涉及直接航天应用的详细技术问题鲜有披露,当前并没有查阅到ATON串联工作的相关文献,因此本文主要对ATON进行自励磁模式下转换进行了模拟与实验尝试。
2.2实验系统与软件介绍
2.2.1实验系统的介绍
本文中的实验均采用ATON霍尔推力器,其结构图如图2-1所示除磁场测量试验外,全部实验均在真空罐中进行。
圆柱形真空罐直径1.5m,长4m,配备有两个油扩散泵和三个机械泵,见图2-2。
工作状态下真空罐内压力为3×10-3Pa左右。
推力器使用氙气做推进工质,阳极流量3mg/s,阴极流量0.4mg/s,推力器主放电电压300V。
1-加速通道;2-阳极;3-缓冲区;4-气体分配器;5-励磁线圈
图2-1典型的ATON发动机结构图
图2-2实验用真空罐
2.2.2FEMM软件的介绍
此次设计磁场分布的计算采用的软件是FEMM(FiniteElementMehtodMagnetics),版本4.0。
FEMM是一款用于计算给定磁路系统下磁场位形的有限元分析软件,专门用于电磁方面的二维平面或轴对称模型的分析。
其主要应用于静电分析;线性、非线性静磁分析;瞬态、谐波磁场分析。
FEMM简单易学、求解速度快、计算精度高,是一个面向PC的采用交互式环境的免费软件,使得较复杂的问题采用普通的计算机就可以求解。
计算过程中,我们对推力器按1:
1建模,略去不导磁部分。
FEMM4.0的输入界面如图2-3所示,左侧和上方的工具栏用于定义材料属性、加载情况等,右侧的窗口显示用户定义的模型和求解结果,用户可采用输入坐标或直接采用鼠标的方式建模。
图2-3FEMM4.0输入界面
输出界面如图2-4所示,输出即可采用图线形式也可将数据导出形成TXT文档。
图2-4FEMM4.0输出界面
在完成仿真后还可以通过以下程序进行计算通道中心各处的磁场强度:
handle=openfile("all.txt","w")
i=-1
j=-1
forx=0,8,0.05do
fory=60,90,0.05do
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)
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