超大功率霍尔推力器放电参数影响仿真及试验

针对超大功率霍尔推力器放电参数特性评估,开展放电电压和流量等参数变化对性能影响的仿真及试验研究,以确定推力器设计最优匹配的放电电压及放电电流工况。建立了Particle-in-Cell(PIC)数值仿真模型,并搭建了HET-450大功率霍尔推力器试验平台;针对变放电电压、变流量下推力器放电特性,仿真计算给出了放电通道内原子密度、电势以及电子温度等分布,探究了推力器电离和加速运行机理,进一步,结合试验,开展了放电电流、推力等比对分析。结果表明：放电电压从300V增加至500V过程中,电离效率逐渐提升,因而放电电流、推力以及阳极效率均递增,而继续增加放电电压则会导致过热场的产生,离子与壁面作用增强导致电离出的离子再次复合,工质利用率下降的同时壁面损失增加,宏观表现为阳极效率的下降。此外,仿真与试验所获得放电电流、推力等结果符合良好,说明建模合适;在500V,80mg/s条件下,推力达2.1N、阳极效率60%,达到设计要求,表明设计合理有效。     

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。     

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。     

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。     

宏观放电参数对大功率霍尔推力器点火启动过程初始阶段影响的研究

为研究宏观放电参数对大功率霍尔推力器点火初始阶段的影响,首先在一台10 kW霍尔推力器上实验测量了点火初始阶段不同宏观放电参数下的阳极电流变化特性,然后采用PIC数值模型计算了不同放电电压和质量流量下点火初始阶段阳极电流和离子密度的变化特性。结果表明:增大放电电压与质量流量都能够增大点火启动过程初始阶段阳极电流的上升斜率,而增大磁场强度会降低点火启动过程初始阶段阳极电流的上升斜率;放电电压和质量流量的改变不会引起点火初始阶段电子和中性气体发生碰撞电离位置的改变。     

LHT-100霍尔推力器热特性模拟分析

为了对LHT-100霍尔推力器提出热设计优化措施,采用有限元仿真软件进行LHT-100霍尔推力器的稳态、瞬态及空间在轨环境模拟热分析研究,并通过热平衡试验进行了结果比对。分析及试验结果表明,处于工作状态时霍尔推力器的高温部件主要是放电腔、阳极和导磁底座,而受高温影响薄弱部件内线圈、气路组件的温度则分别达到了约401~421℃和141~381℃。热设计优化建议为,在放电腔与内线圈之间增加独立热屏结构后可以有效降低内线圈温度约80~90℃,在阳极气路组件上存在的热应力会是影响霍尔推力器可靠性的重要因素,需要在热设计中得到充分考虑。     

自励模式霍尔推力器设计

为实现P70霍尔推力器自励模式稳定放电运行,分别设计了满足自励模式放电要求的磁路和电路。其磁路设计是基于霍尔推力器他励运行模式最优放电性能参数和磁势不变原理,采用FEMM有限元磁场计算软件建模,将推力器内铁心半径由7 mm减至4 mm,可得到满足自励模式运行要求的优化磁场。针对电磁线圈串入主放电回路不同位置对放电的影响,考虑电磁线圈绝缘要求,提出将电磁线圈串入放电电源负极性端,整体电路设计可使放电可靠。性能对比实验表明,自励模式与他励模式性能接近,在放电电压为420V时,自励模式最高效率达到61%。自励模式实验获得了稳定放电,且放电电流低频振荡幅值很小。     

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。     

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。     

LIPS-300离子推力器环形会切磁场等效磁路分析研究

针对多种工作模式下推力器放电室磁路设计的复杂性问题,为实现电磁体磁场向永磁体磁场的磁路转换,利用磁路等效法,建立离子推力器磁路系统的等效磁路模型。在此基础上,结合有限元理论,分析获得产生与电磁体磁场的磁路构型相同的永磁体结构尺寸,将离子推力器放电室在永磁体磁场状态与电磁体磁场状态下的磁感应强度进行对比。结果表明:磁路转换后关键点磁感应强度相对误差低于5%,且永磁体样机工作放电损耗为141.8W/A,阳极震荡电压为10V,符合磁路转换要求和磁场设计目标,验证了等效磁路模型分析结果的正确性及方法的可行性。     

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。     

各推力级霍尔推力器研究现状与展望

介绍了霍尔推力器原理的基础上,推导分析了霍尔推力器推力的影响因素,总结了改变其推力的主要方法。概述了微牛级、毫牛级和牛级等不同推力级适用的航天任务类型,按照3个级别对国内外霍尔推力器型号进行了分类,分别对3个推力级各系列型号的发展及趋势进行了梳理与分析。对各推力级霍尔推力器发展的关键技术进行了展望。针对其中的技术瓶颈与发展趋势进行了总结分析。全面、系统地针对各推力级霍尔推力器进行了综述。结果表明:毫牛级发展最为成熟的推力级,而随着航天任务类型逐渐丰富,微牛级和牛级霍尔推力器发展潜力愈发突出;研究结果提出了霍尔推进器应提升整体性能、扩展推力覆盖范围,强化多模式工作能力,发展空心阴极以及探究不同推进剂等建议。该研究结果对于霍尔电推进的进一步发展具有参考价值。      

LHT-100自励磁霍尔推力器热特性测试和热真空实验研究

为了验证LHT-100自励磁霍尔推力器工作状态的热特性和空间环境适应性,对霍尔推力器进行了工作状态热特性测试和热真空实验研究,给出了LHT-100霍尔推力器在工作状态下关键部位的温度升高和自然降温规律,分析了自励磁霍尔推力器在常温下启动达到热平衡过程中的推力、比冲、放电损耗等随时间的变化规律,并在带过渡板情况下开展了霍尔推力器的热真空环境实验。实验结果表明:LHT-100自励磁霍尔推力器在工作近3.5h内达到热平衡,关机5h后霍尔推力器整体温度自然降至室温,在常温下启动达到热平衡过程中霍尔推力器的放电电流、推力、比冲、放电损耗等指标在正常范围内,霍尔推力器在热真空环境中启动和工作正常,霍尔推力器零部件及其材料对高低温变化环境的稳定性和适应性较好,能够适应高低温变化的环境影响。     

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。     

LHT-100霍尔推力器宽功率范围工作实验研究

为了研究兰州空间技术物理研究所口径为100mm的LHT-100霍尔推力器宽功率范围工作性能,从实验的角度研究了放电电压100~400V、放电功率500~1800W时LHT-100霍尔推力器的工作性能。实验结果表明,LHT-100霍尔推力器可以在较宽功率范围内正常工作,放电特性和推力性能稳定,推力变化范围为30~95mN,比冲变化范围为600~1950s,推力效率变化范围为18%~53%,功率推力比变化范围为14.3~18.4W/mN。     

磁零点及通道宽度对霍尔推力器性能影响的数值研究

磁场位形和通道尺度会改变霍尔推力器等离子体放电过程,影响推力器的宏观放电特性。为分析磁场和通道宽度对推力器放电性能的影响规律,本文针对霍尔推力器轴对称通道结构和放电物理过程建立2D3V物理模型,采用粒子模拟方法研究了霍尔推力器磁零点磁场位形不同通道宽度的电势、粒子数密度、电子温度、电离速率、比冲及推功比的变化规律,结果表明：在具有磁零点磁场位形下,随着通道宽度增加,通道出口处电势降增加,加速区缩短,离子径向速度减少,壁面腐蚀降低;当磁零点位置在内壁面,推力器通道宽度由14 mm增加到16 mm时,推力器比冲和推功比增大,推力器放电效率提高;当磁零点位置在通道中轴线或外壁面,且通道宽度大于14 mm时,推力器比冲增大,推功比减小,推力器效率下降。     

磁场对高电压霍尔推力器性能影响研究

为研究磁场构型、磁场强度对高电压霍尔推力器主要性能的影响机理,以HET-200推力器为对象,采用固定磁场构型和不固定磁场构型两种方案进行实验研究。结果表明,在不固定构型的情况下增强磁场,放电电流存在两个极小值,效率也存在相应的两个极大值;但当固定磁场构型时,则放电电流只有一个最小值,效率也只有一个最大值。以最优效率下的磁场构型为基准,获得了磁场与电压、磁场与流量的匹配关系分别为B_(r, max)∝V~(0.7),B_(r, max)∝m。     

700W功率HET-80霍尔推力器束流特性研究

霍尔推力器的束流特性能够体现推力器的工作状态,为了了解额定功率1350W的Hall Effect Thruster-80(HET-80)霍尔推力器在700W功率下的工作状态,研究设计了一套等离子体诊断系统,包括了法拉第探针、平面型Langmuir单探针、阻滞能量分析仪(RPA)和发射光谱,对HET-80霍尔推力器在700W功率下的束流特性进行了诊断实验。实验结果显示:700W功率工况下HET-80霍尔推力器束流发散半角为45°,整体呈现出纺锤形分布,束流中心区域的离子电流密度分布呈现出圆环型霍尔推力器典型的双峰结构;由于等离子体的复合碰撞导致离子量变少,实验中法拉第探针测量得到的积分电流随着轴向距离增加而减小;在束流区边缘发生了较多的CEX碰撞,使该区域电子温度骤升;中心区离子能量接近247e V,相较于推力器放电电压310V,评估霍尔推力器加速效率达79.6%,加速效率较好,整体束流结果表明HET-80霍尔推力器在700W功率工况下表现正常。实验中发现法拉第探针结合RPA测量出来的离子数密度较Langmuir探针测量出的离子数密度更为准确;由于霍尔推力器只有一个空心阴极,发射光谱得到的出口附近电子温度和离子原子相对浓度分布均为空间非均匀状态。     

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。     

多模式离子推力器流率特性实验研究

为了实现多模式离子推力器在宽功率范围内最优性能和可靠性,基于30cm多模式离子推力器通过实验开展了阴极和中和器羽状模式转变点流率、放电电压30V对应阴极流率和放电损耗曲线与束电流关系研究。30cm多模式离子推力器束电流从0.3A增加到3.3A时,阴极羽状模式转变点流率值从0.017mg/s增加到0.163mg/s,放电电压30V对应阴极流率从0.129mg/s增加到0.231mg/s,中和器羽状模式转变点流率从0.030mg/s增加到0.191mg/s。随放电室工质利用率的增加,在小束电流下放电损耗迅速增加;当束电流大于1.5A时,放电损耗对放电室工质利用率的变化较为迟钝。基于上述流率特性实验结果完成了30cm多模式离子推力器宽功率范围35个工作点下最佳流率设计。在设计的工作流率下,放电电压小于30V,阴极和中和器均工作在点状模式,实测推力为9.6mN~185.2mN、比冲为1332s~3568s、功率为258W~4761W。