【摘要】：隨著電源技術(shù)的發(fā)展和全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)的提出,現(xiàn)階段對(duì)大功率、高比沖發(fā)動(dòng)機(jī)需求不斷增加。提高霍爾推力器比沖最有效的方法是提高放電電壓,然而一般傳統(tǒng)的霍爾推力器在高電壓下的性能大幅下降,推力器設(shè)計(jì)存在高比沖和高效率的折中問(wèn)題,因此研究高電壓下霍爾推力器效率下降的主要原因?qū)Ω唠妷和屏ζ髟O(shè)計(jì)具有重要意義。本文主要工作如下:首先,針對(duì)放電通道內(nèi)的壁面熱沉積進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。利用熱平衡狀態(tài)下的熱流分析,通過(guò)壁面測(cè)溫的方式對(duì)壁面熱流進(jìn)行診斷。對(duì)比發(fā)現(xiàn)高低電壓下壁面熱流隨放電電壓變化規(guī)律的差異,并解釋了其原因。同時(shí)通過(guò)磁場(chǎng)外推顯著減小了壁面熱流,為高電壓推力器優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。此外,首次提出了一種新的探針診斷思想用于區(qū)分壁面熱流中電子熱流及離子熱流的貢獻(xiàn),并利用熱仿真對(duì)其理論可行性進(jìn)行驗(yàn)證。其次,對(duì)陽(yáng)極熱沉積進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。利用陽(yáng)極關(guān)機(jī)瞬間的熱動(dòng)態(tài)特性并基于集中參數(shù)法假設(shè),通過(guò)測(cè)量陽(yáng)極關(guān)機(jī)后的溫度下降速率反推推力器工作期間陽(yáng)極熱流。研究放電電壓、磁場(chǎng)強(qiáng)度、放電電流等參數(shù)對(duì)陽(yáng)極熱流的影響規(guī)律,并簡(jiǎn)要分析其機(jī)理,探索減小陽(yáng)極熱流的優(yōu)化方法,為高電壓推力器陽(yáng)極熱過(guò)程優(yōu)化提供依據(jù)。再次,以霍爾推力器能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量形式和最終的作用對(duì)象為分類標(biāo)準(zhǔn),建立合理的能量損失體系,并給出各項(xiàng)損失的實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法。利用實(shí)驗(yàn)手段研究主要能量損失特性及隨放電電壓的變化規(guī)律,找出占據(jù)主導(dǎo)地位的能量損失機(jī)制。最終發(fā)現(xiàn)了高低電壓下能量損失特性的差異,找到了限制高電壓霍爾推力器效率的主要能量轉(zhuǎn)化過(guò)程,為下一步高電壓霍爾推力器優(yōu)化設(shè)計(jì)指明了方向。最后,對(duì)HEP-100HV霍爾推力器進(jìn)行改進(jìn),主要包括放電通道形貌優(yōu)化以及磁場(chǎng)外推的磁場(chǎng)優(yōu)化,并利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其在變截面通道并配合磁場(chǎng)外推的結(jié)構(gòu)下的性能及放電特性。拓寬了推力器的穩(wěn)定工作區(qū)間,最終實(shí)現(xiàn)了900V電壓下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作,并且沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象,同時(shí)羽流邊界更加清晰,接近磁聚焦模式,陽(yáng)極比沖達(dá)到3467s,陽(yáng)極效率64.8%,與國(guó)際上典型高電壓霍爾推力器相比可在更高的電壓下高效率放電。
【圖文】：

壓霍爾推力器研究現(xiàn)狀俄羅斯 RIAME 研究所開(kāi)始高電壓霍爾推力器的研究方式相繼研究出 SPT-140[4]、SPT-80[5]、SPT-115[6]、型號(hào)高比沖霍爾推力器，并提出霍爾推力器在高電壓。Alexey Lazurenko 和 Vladimir Kim 分別在各自發(fā)表推力器設(shè)計(jì)發(fā)展方向進(jìn)行總結(jié)，，提出磁場(chǎng)優(yōu)化匹配、法[9]。anzella 在進(jìn)行高電壓 SPT 性能研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)存在一個(gè)峰值，當(dāng)放電電壓超過(guò)一定范圍后陽(yáng)極效率反示[9]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著流量的變化，最優(yōu)放電范圍內(nèi)。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明隨著放電電壓的進(jìn)一步增加能推力器效率的下降。文章中指出很可能是在高電壓下?lián)p失增加，針對(duì)此問(wèn)題提出放電電壓和磁場(chǎng)的匹配優(yōu)提高磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)限制電子向陽(yáng)極的傳導(dǎo)。

在進(jìn)行高電壓霍爾推力器效率分析研究中提出效率分析陽(yáng)極放電效率、陰極效率和勵(lì)磁效率相乘得到，通常推，陽(yáng)極效率受到電荷利用率、電壓利用率、電流利用率[14-20]。效率的分析通過(guò)推力器能量轉(zhuǎn)化物理過(guò)程推導(dǎo)出霍爾推力器的效率優(yōu)化可以從以上幾個(gè)效率所代表的物率較低的物理過(guò)程提出針對(duì)性的解決辦法。損失體系劃分研究現(xiàn)狀軍實(shí)驗(yàn)室 Kristi de Grys利用能量平衡分析提出了一個(gè)能圖 1-2 所示。從能量的形式上對(duì)各種能量進(jìn)行劃分，離動(dòng)能和電勢(shì)能。動(dòng)能分為直接動(dòng)能和間接動(dòng)能，直接動(dòng)，間接動(dòng)能是離子的徑向速度產(chǎn)生的動(dòng)能。在間接動(dòng)能向動(dòng)能和熱能。熱能劃分為羽流的隨機(jī)熱能和等離子體直接作用產(chǎn)生的熱能，主要包括電極歐姆熱、電子功率
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V439.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2619859