高精度霍尔电推进技术的应用与发展研究

在现代化全域通信导航的应用背景下,卫星平台所需具备的精确轨道预测与实时轨道控制能力对电推进系统的推力精度、分辨率等性能提出更高的要求,因此建设高精度的电推进系统具有非常重要的意义。通过对空间应用需求和电推进技术现状的分析,阐明了当前电推进技术的推力输出精度不足以支撑高精度连续导航、超低轨卫星实时阻力补偿以及高分辨率遥感卫星动中成像等空间任务的需求。在此基础上,以霍尔推进系统为研究对象,针对研制高精度推进系统的技术难点,从霍尔推力器技术、流量控制技术、电源及控制技术和试验验证技术四个方面阐述了国内外研究的现状,分析和探讨了关键技术的发展方向和研究思路,为高精度霍尔推进技术未来的重点研究和发展方向提出建议。     

基于霍尔元件的永磁同步电机转子位置辨析

提出了一种改进的基于霍尔元件的永磁同步电机转子位置估计方法。利用牛顿插值法对霍尔元件提供的离散位置点进行曲线拟合,对位置信息进行预测、插值,从而估算出电机转子的实时位置信息。改进后的方法可以消除转子位置估算的阶跃现象,提供稳定可靠的转子位置信息,提高了闭环系统的稳定性。在Plecs仿真平台中对该算法进行了仿真验证,与传统转子位置估算方法进行了对比,仿真结果验证了该方法的有效性。     

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。     

质量矩固体推进微纳卫星自适应反演控制律设计

为解决微纳卫星利用固体火箭推进器进行快速轨道机动时的姿态翻滚问题,提出了利用质量矩技术对卫星的俯仰、偏航通道姿态进行稳定控制。首先考虑推进剂燃烧、质量块运动等因素引起的系统质量特性参数的变化,建立质量矩固体推进微纳卫星姿态动力学模型;然后分析了推进剂燃烧、质量矩控制引入的系统模型参数不确定性、连续有界未知干扰;随后基于反演控制方法,设计了卫星姿态角和姿态角速度双回路自适应滑模动态面控制器,利用自适应算法调节控制参数估计来补偿不确定因素的影响;基于Lyapunov函数证明了闭环系统的稳定性。最后,通过数值仿真验证了控制算法的有效性。     

LHT-100霍尔电推进系统集成测试研究

为了验证LHT-100霍尔电推进系统工作匹配性和工作性能,对霍尔电推进系统进行了集成测试研究,霍尔电推进系统包括霍尔推力器、电源处理单元、滤波单元、贮供单元和控制单元,对真空状态下的系统集成点火测试数据与设计指标的符合性进行了分析,研究表明:LHT-100霍尔电推进系统工作兼容性良好,系统集成拉偏后及系统宽功率范围工作正常稳定,各项性能指标满足要求,系统压力控制精度、阳极热节流器及阴极热节流器温度控制精度分别为±1.7%、±1.6%及±1.5%,系统推力83m N,比冲1600s,功率1536W,总效率48.2%,束流发散半角36.2°。     

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。     

温度对磁屏蔽霍尔推力器磁场构型的影响研究

霍尔推力器磁路设计主要通过常温静态磁场仿真得到,并实测推力器非工作状态常温磁场进行复核。大功率霍尔推力器将面临更为严峻的热问题,推力器工作时磁路系统受高温影响,因此在常温下仿真得到的磁场位形会因温度升高而产生偏移,不能反映推力器真实工作时的磁场情况。为研究霍尔推力器工作时热量对磁路系统的影响,通过热磁耦合仿真对10 kW磁屏蔽霍尔推力器的热态磁场分布进行研究,并对热态、常温仿真结果进行了对比,发现在阳极附近的径向磁感应强度B_r的差异比放电室出口更大。常温设计的磁屏蔽构型在热态时偏离磁屏蔽,磁场和壁面最大不符合度达到13%,通过陶瓷出口型面修正后重新获得磁屏蔽效果,使最大不符合度降低到4.8%以下。合理热设计有助于降低热载荷,热仿真得到磁路系统最高温度低于500℃,低于0.78倍的居里温度T_c磁性急剧转变点,不会出现磁性能急剧下降,但热量对磁屏蔽霍尔推力器磁场构型的影响是应该考虑的。     

多霍尔器件提高飞轮转速测量精度的研究

对飞轮使用的霍尔器件与转速测量精度之间的关系进行分析,提出了一种基于增加霍尔器件提高飞轮转速测量精度的方法,并根据该方法确定了多霍尔器件安装布局的设计原则和公式。     

EDM电磁信号法放电位置检测中传感器系统的设计

针对在电火花加工放电位置检测仪中传感器系统设计方面存在霍尔传感器输出的原始信号幅值微弱的问题,采用将霍尔传感器嵌入在长方体铁氧体材料中组成传感器系统的方法,使原始微弱信号幅值增大了1000倍。     

剩磁检测有助于勘查雷击现场

高达几万甚至几十万安培的雷电流在入地瞬间，将使周围铁磁材料磁化并留下剩磁。使用特斯拉计检测剩磁可发现雷电流的强弱、方向、路径与影响范围，对于现场勘查雷击原因、改进防雷措施、学习防雷原理、评价防雷工程质量和雷击保险理赔等会有所帮助。