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1、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
2、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 technology needs, electric
3、propulsion thrusters to replace the traditional chemical field of space propulsion successfully developed since 1970, and widely used for various practical mission to become the worlds space powers electric propulsion research in the this area of our country is a big vacancy, Harbin Institute of Tec
4、hnology of Plasma propulsion technology generate from Russia introduced ATON thruster models, and its in-depth study. 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 labora
5、tory conditions. But in practice it is commonly using the self-excitation whitch can the cut the number of components 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, a
6、ccording to the convert from the excitation of the coil space problem ,we used the software simulation and experimental 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 se
7、parate and self-excitation, we compared and analyzed the operating characteristics. And finally we made the explorative 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
8、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
9、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.5
10、1007014。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(Hall Thruster)作为一种典型的电推进装置，以其效率
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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：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
