阳极层霍尔电推进技术研究现状与难点分析

本文从阳极层霍尔推力器的技术特点出发,分析了单级和双级阳极层霍尔推力器在结构和性能上的差异;梳理国内外阳极层霍尔推力器的研究现状,结合未来大载荷空间任务的动力需求指出阳极层霍尔推力器未来的发展趋势;最后,提出了阳极层霍尔推力器在研制中的主要技术问题,主要包括电离与加速独立控制、放电模式与模式跳变、推力器工作模式的多样化、高电压强磁场设计、小间隙高压绝缘问题、高电压热设计以及放电室溅射削蚀等,分析了技术难点并给出解决思路。     

氪气工质霍尔推力器束聚焦特性研究

以研究氪气替代氙气作为霍尔推力器工质时,等离子体束发散程度大等束聚焦特性问题为目的,通过以霍尔推力器磁场参数、放电电压和阳极工质流量分别作为单一变量进行实验研究,考察其对推力器等离子体束聚焦影响情况。使用HET-P70霍尔推力器进行相关实验,通过改变磁场参数来研究磁场位形对氪气工质推力器性能的影响,最终发现合适磁场位形形成的磁聚焦状态,即实验一中的工况3,可以使羽流发散角达到11.5°,此时推力器放电电压在400V,阳极工质流量3mg/s。另外,通过实验二和实验三,考察阳极工质流量和放电电压对氪等离子体束聚焦的影响机理,发现两个放电参数的变化主要改变了中性气体主电离区位置,进而影响等离子体束聚焦状态。电离位置在设定工况下外移9%,会使得羽流发散半角增大约12°。所以,磁场位形和中性气体的电离位置是影响氪等离子体束聚焦的重要因素,在对氪气霍尔推力器进行设计优化时应予重点考虑。     

圆柱形阳极层霍尔推力器内轮辐效应的实验研究

为了研究圆柱形阳极层霍尔推力器内关于电子反常输运的轮辐效应(Rotating Spoke),分别采用高速相机和静电探针来捕捉圆柱形阳极层霍尔推力器内的轮辐效应图像和等离子体震荡频率。结果表明:在放电电压350V,放电电流3.5A,阳极上表面处的磁场强度为125Gs,工作气压为2×10-2Pa时,由测得轮辐效应的放电图像和波形可知,轮辐效应的频率为10kHz～12.5kHz。当磁场强度增加到205Gs,放电电流增加到4A时,轮辐效应的频率增加到25kHz,并且轮辐效应出现分裂和合并现象。此研究结果表明,圆柱形阳极层霍尔推力器内不仅存在轮辐效应现象以及角向电场,而且不同的工作参数会有不同的轮辐效应模式和频率。     

霍尔推力器阳极加热机制及设计优化

阳极的过热不仅降低霍尔推力器的放电稳定性和推力效率,同时也是推力器的一种失效原因,直接引起推力器放电电流、功率异常增加导致关机故障。为在设计阶段解决阳极过热失效问题,本文通过理论分析建立了阳极热过程模型,分析得到阳极鞘层的形成是影响阳极热功率的核心过程,而阳极电流密度和磁感应强度是影响鞘层特性的关键参数。研究结果表明,阳极鞘层电势差随阳极电流密度的提高而增大,在典型近阳极区等离子体参数下,阳极电流密度小于600A/m2时,阳极负鞘层形成;而阳极热功率随着近阳极区磁感应强度的增加而升高,将阳极位置设计在零磁场区是最有利于降低阳极热功率的设计。     

星载永磁霍尔推力器磁场分析与实验研究

磁场是评价星载霍尔推力器性能水平及工作特性的重要因素,也是开展推力器优化设计的重要自由度。针对航天器姿态调整等空间轨道任务对霍尔推力器应用需求,分析了影响永磁霍尔推力器磁感应强度的关键因素。在此基础上,利用磁路等效法,采用有限元离散形式,建立了基于永磁材料的霍尔推力器磁场模型,利用国外同类产品工程数据验证了磁场模型分析方法的可行性和计算结果的正确性,最终获得了设计所需的推力器磁路构型、永磁体结构尺寸及相应的永磁霍尔推力器样机。将永磁霍尔推力器磁场分析结果与实测结果进行对比,并对整机性能进行了实验验证,结果表明:推力器性能实验结果与设计要求相符性较好,额定供气、供电状态下,推力器阳极电流符合设计要求,整机推力达到3.52mN,比冲达到685s,较好地实现了永磁霍尔推力器设计目标。     

霍尔推力器等离子体磁鞘特性

为进一步研究霍尔推力器壁面二次电子发射对发动机性能的影响,建立流体模型数值模拟了霍尔推力器磁化二次电子等离子体的鞘层特性,采用Sagdeev势的方法得到了鞘层的玻姆判据,以这个判据为鞘层边界条件数值讨论了磁场、二次电子发射以及不同等离子体对推力器等离子体鞘层结构的影响。结果表明,磁场和二次电子发射系数的增加都将使鞘层中粒子密度增加,鞘层电势升高,鞘层厚度减小;对于氩和氙二种等离子体,氙等离子体产生的鞘层势垒高,粒子密度大,鞘层厚度增加。这些结果直接影响推力器的电子传导机制及性能。     

大功率霍尔电推进研究现状与关键技术

综述了大功率霍尔电推进技术的国内外研究现状,并结合未来空间任务需求,指出了大功率霍尔电推进技术的发展趋势。根据大功率霍尔电推进的技术特点,从基本理论和工程实现的角度,指出了大功率下需要攻克的关键技术,主要包括:较高等离子体密度带来的离子热能化和溅射腐蚀增强问题、大电流动态感应磁场干扰问题、严重的热负荷问题、大结构尺寸问题、大发射电流阴极、变工质放电、阴极中置以及地面试验问题等,并分析了相应关键技术的解决途径和技术方向。     

大功率等离子体电推进研究进展

大功率等离子体电推进具有推力大、比冲高、效率高、尺寸小等优势,是载人深空探测任务最具竞争力的推进技术之一。针对稳态等离子体推力器、阳极层推力器、磁等离子体动力推力器、可变比冲磁等离子体推力器和螺旋波推力器等,对等离子体电推进的国内外研究进展进行了论述。从大功率等离子体推力器、超大容量推进剂贮存与供应、大功率高电压电能变换与供应、大功率等离子体推力器试验验证等角度分析了大功率等离子体电推进的关键技术,对我国大功率磁等离子体电推进的发展提出了梳理需求、制定技术路线、提升成熟度和进行集成演示等建议。     

阳极层霍尔推进器磁极刻蚀的实验研究

为了提出降低阳极层霍尔推进器运行过程中的磁极刻蚀程度的方案,记录磁极刻蚀程度在相关参数影响下的变化,针对阳极层霍尔推进器的放电电流、电压、工质输送速率等工作参数开展实验研究,定量分析了这些影响因子对推进器磁极刻蚀程度的影响。通过测量磁极被溅射出的粒子在样品表面不同位置上的沉积速率,计算出了推进器在不同运行条件下,由于磁极刻蚀而产生的溅射粒子数量和密度。实验结果表明,该推进器在运行过程中,溅射粒子主要集中在羽流中心线附近区域;随着放电电压和电流的增加,溅射粒子的密度显著上升,并且在以羽流中心线为中心,半径为4cm的圆面区域内,溅射粒子密度上升明显;降低工质输送速率,在低气压、高电压和小电流的运行条件下能够有效降低推进器磁极刻蚀程度,实验所采用的霍尔推进器合适的工作气压为0.02～0.025Pa。     

直流电弧喷射等离子体炬阳极喷嘴积碳现象的研究

采用高功率直流电弧等离子体喷射化学气相沉积工艺,制备了不同厚度的自支称金刚石厚膜.实验发现,等离子体炬阳极喷嘴积碳是沉积过程中最突出的问题之一.从理论和实验两个方面研究了阳极积碳产生的原因,并通过激光拉曼光谱分析了碳球的结构和成分.结果表明,碳球由金刚石层、混合层和最外面的石墨层构成.详细分析了甲烷浓度、冷却水温度、放电电弧的局部高温、阳极喷嘴的表面质量对积碳形成的影响,并提出了改进措施.     

基于SPT70的微波霍尔推力器谐振腔电磁特征计算分析

微波霍尔推力器是双极霍尔推力器的一种形式,其电离源中的圆柱谐振腔是一个关键件,它承担着微波能量的传输并激发表面波等离子体的重要作用。正确选择其结构和谐振模态是构建微波霍尔推力器的重要基础。为此,针对不同结构、不同谐振模态的微波谐振腔进行结构参数计算分析和电磁场分布规律数值模拟,从中选取可以和霍尔推力器SPT70加速通道相匹配的腔体结构。计算分析和数值模拟结果表明2.45GHz谐振于TM011模的圆柱谐振腔和SPT70加速通道有合适的匹配关系。     

霍尔推力器能量损失系统性评价方法

霍尔推力器典型效率在50%左右,其余能量在电离、加速、耦合等过程中耗散掉,为了明确推力器优化设计的重点方向,需要定量地研究各个物理过程中损失的能量。因此,本文从能量损失分析的角度入手研究影响霍尔推力器效率的典型物理过程及机理,建立了针对霍尔推力器能量损失的系统性评价方法,为霍尔推力器设计及优化提供理论支撑。从霍尔推力器能量转化过程入手,并以能量的最终作用对象及性质作为分类的标准,建立了新的能量损失体系,认为霍尔推力器损失的能量主要有：径向羽流动能、阳极沉积热能、壁面沉积热能、电离能、阴极耦合损失。针对各项损失能量建立了实验评估方法,实验结果显示,阳极热沉积、壁面热沉积、羽流发散导致的能量损失是制约霍尔推力器效率的主导因素,其占比分别达到5.2%、24.7%、6.1%。实验测得所有输出功率占输入阳极放电功率比例达到102.1%,经不确定度分析,认为是阳极热沉积、电离能、阴极耦合损失的高估导致的,但该方法诊断得到的各项损失相对数量级关系是确定的,利用实验校核了方法的可行性,为霍尔推力器性能以及设计水平的评价提供了新的视角。     

阳极层霍尔推力器内轮辐效应不稳定性研究

为研究圆柱形阳极层霍尔推力器内轮辐效应的不稳定性,利用高速相机和静电探针得到1-2-1模式、1-2-3-1模式和1-2-3-2-1模式的轮辐分裂与合并现象。随着磁感应强度由205Gs增加到225Gs,轮辐个数m由1增加到3。轮辐的分裂与合并模式增多,且轮辐的旋转频率随之由25kHz提高到40kHz～50kHz。轮辐效应的存在是电子密度分布函数的宏观体现,动理论方程中力F的波动引起了轮辐的分裂,随着轮辐个数m的增加,电子分布的低频大幅度波动逐渐演变为小幅度高频率的波动。电子密度分布函数的波动引起的轮辐效应产生了角向分布的电场强度与磁场共同作用,增强了电子轴向漂移运动。     

用Xe和Kr作为霍尔电推进工质的比较

氪气作为一种惰性气体,其在地球上的资源相对于氙气要丰富很多,因此,作为氙气替代物的氪气研究,对于霍尔电推进系统的全面空间应用具有重要的意义。对亚千瓦级霍尔推力器使用氪气作为推进剂的性能、羽流进行了研究,并与氙气推进剂进行了比较。通过氪/氙气推进剂性能的比较,得出亚千瓦级霍尔推力器使用氪气作为推进剂时,性能有较大的下降,但是在大阳极流量、高功率工况下性能有变好的趋势。通过对氪/氙气羽流电子温度、电子密度、离子电流密度、离子能量的比较分析,找出了影响氪气推进剂性能的部分因素,为下一步氪气的应用研究工作提出了改进的方向。     

用于驻点烧蚀试验的5kW等离子体发生器设计

为了研究再入大气层时,飞行器所遭受的烧蚀情况和其外壳材料的热防护作用,围绕地面模拟再入环境的小型等离子体风洞系统,从等离子体发生器的功率计算和阴极、阳极结构参数入手,设计了用于驻点烧蚀试验的5kW级别小功率等离子体发生器。采用局域热力学平衡的方法,选择工作电流分别为90A,100A,110A和120A,对等离子体发生器性能的影响进行了研究。利用实验室真空系统与电源设备,开展初步点火试验,验证了等离子体发生器的基本性能。结果表明:与仿真计算结果相比,设计状态工质下的放电电压误差为8%,点火试验测得的放电电压误差为6.25%,参数对比验证了等离子体发生器仿真模型计算可靠,设计的等离子体发生器符合预期,工作正常。     

介质阻挡体放电对甲烷扩散火焰CH*自发辐射影响实验研究

为分析非平衡等离子体对空气/甲烷扩散火焰的助燃效果,实验以发射中心谱线430nm的激发态自由基CH*表征火焰燃烧状态,采用同轴圆柱构型激励器在高频交流模式下激发等离子体,分析了火焰CH*自发辐射图像、火焰高度、CH*径向分布和燃烧释热速率等火焰特性在不同空气流量和当量比下随放电电压的变化规律。结果表明：等离子体激励在空气流量较低时,会显著增强火焰上游甲烷燃烧,从而降低CH*空间分布高度和火焰高度;空气流量增大后,有利于促进甲烷充分燃烧,增大火焰下游CH*辐射强度和分布范围。在火焰上游区域,等离子体气动效应可有效扩展甲烷径向分布,实现剪切层更宽范围燃烧,其活化效应会明显提高剪切层燃烧强度,并随电压增大作用效果逐渐增强。此外,等离子体激励会使燃烧器喷嘴出口附近火焰释热速率显著增大,该现象在空气-甲烷动量比较大时更容易发生。     

配电方式对Kaufman离子推力器性能的影响研究

目前Kaufman离子推力器主要有两种最具代表性的配电方式:屏栅极电源正端分别连接阳极电源正、负端的配电方式。为了研究配电方式对Kaufman离子推力器工作性能的影响,基于等离子体理论和推力器工作原理,分析两种主要配电方式下放电室电极电势及电流平衡关系,推导了放电室等离子体特性表达式,理论分析了配电方式对离子推力器多种性能参数的影响。结合兰州空间技术物理研究所自研的LIPS300离子推力器在两种配电方式下工作在3kW和5kW的性能试验,通过解析方法对离子推力器多种工作参数和性能参数进行分析,试验结果与理论分析结果具有良好的一致性。研究表明:采用屏栅极电源正端连接阳极电源负端的配电方式能够获得更大的推力和比冲,并能提高离子对栅极透明度,减少离子对屏栅极的溅射,从而提高栅极寿命,但束离子产生成本稍高。研究结果可为离子推力器配电方式的设计与优化提供依据。     

低功率霍尔推力器束流发散和推力矢量偏心特性研究

为了准确掌握不同工况下混合励磁模式低功率霍尔推力器束流发散和推力矢量偏心特性，凭借自主设计和改进的一套快速评估霍尔推力器束流发散角和推力矢量偏角原位集成诊断装置，系统研究了推力器在不同阳极质量流率、磁场、电场下束流分布和推力矢量偏心特性的变化规律。结果表明，束流发散角随阳极质量流率（0.65mg/s~0.95mg/s）和磁场强度（112Gs~142Gs）的变化呈现负相关的特性。当阳极质量流率0.95mg/s，束流发散角降到29.1°（＜30°）。推力矢量偏角随阳极质量流率和磁场强度的变化分别存在极大值（1.19°）和极小值（0.91°）。束流发散角、推力矢量偏角在250V~330V放电电压范围内基本保持不变。