kW級圓柱霍爾推力器放電特性實驗研究

發(fā)布時間：2020-06-13 03:25

【摘要】：當前電推進主要應用于衛(wèi)星南北位置保持、軌道修正等小沖量空間任務。隨著人類對太空的探索,軌道提升、深空探測等任務對推力和總比沖提出了更高的要求,電推進向大功率發(fā)展成為趨勢,其中霍爾推力器向大功率發(fā)展沒有不可調(diào)和的矛盾,但當前大功率單環(huán)霍爾推力器按相似準則設計的尺寸偏大,不利于實際應用。基于此,本文提出了一種提高霍爾推力器功率密度和推力密度的新磁路構(gòu)型及通道結(jié)構(gòu),并對縮比原理樣機進行放電實驗及優(yōu)化。首先針對該推力器具有的漸擴圓環(huán)和圓柱組合的通道構(gòu)型特點,開展了供氣方式的對比研究。結(jié)果表明,與沿推力器軸向供氣相比,沿著漸擴通道角平分線供氣可使電離區(qū)靠近通道中心線,此時離子在壁面損失小,工質(zhì)利用率和電流利用率更大,電壓利用率更高,羽流發(fā)散角更小,推力更大。原理樣機的放電羽流在最小放電電流工況下呈空心錐形,與傳統(tǒng)羽流形狀不同,進而研究了磁場位型對羽流形態(tài)的影響,結(jié)果表明通道內(nèi)磁場對羽流模式轉(zhuǎn)變起決定作用,當磁透鏡與軸向夾角越大,空心錐形羽流的交匯點越靠近通道出口;當磁透鏡中心軸線方向與推力器軸向一致時,羽流模式發(fā)生轉(zhuǎn)變,呈整體發(fā)散羽流;羽流由空心錐形向發(fā)散形轉(zhuǎn)變過程中,磁透鏡中心軸線與推力器軸向夾角減小,電子傳導率降低,工質(zhì)利用率和電流利用率上升,同時電壓利用率得到提升,羽流發(fā)散角降低,陽極效率和推力增加。其次,該推力器放電主要發(fā)生在通道內(nèi),因此通道構(gòu)型對推力器放電特性及性能的影響開展了相關研究。結(jié)果表明,通道外壁面長度過短,對工質(zhì)氣體約束較差,工質(zhì)利用率低;通道外壁面過長,離子在通道出口附近與壁面復合效應較強,壁面等離子體損失較大,導致壁面易過熱;通道外壁面長度在增加過程中,電壓利用率下降,羽流發(fā)散角增大,因此需要平衡工質(zhì)利用率、電壓利用率、羽流發(fā)散角和壁面離子能量損失,才能找出最高放電效率的外壁面特征長度。改變通道內(nèi)壁面構(gòu)型的研究表明,與漸擴圓環(huán)和圓柱組合通道相比,完全漸擴圓環(huán)通道下電離更靠近通道內(nèi)部,離子在壁面損失嚴重,但磁透鏡與軸向夾角小,電壓利用率高,羽流發(fā)散角小,推力較大;然而,由于電子電流比重增大,陽極效率低于組合通道。最后,對擴大該推力器工作參數(shù)范圍的手段進行探索,出發(fā)點為增大通道內(nèi)磁場梯度,將電離區(qū)外推;據(jù)此結(jié)合原理樣機磁路構(gòu)型設計了導磁陽極。導磁陽極在非導磁陽極的基礎上進行軸向延伸,與非導磁陽極相比,導磁陽極拓展了放電電壓上限,但勵磁調(diào)節(jié)范圍較窄,隨著導磁陽極軸向的增加,通道內(nèi)磁場梯度增加,電離區(qū)向通道外移動(軸向增加2mm的導磁陽極濺射帶向外推0.8mm),羽流發(fā)散角增大,電離區(qū)相對陽極表面距離縮短,電子損失較大,電流利用率降低,陽極效率減小。導磁陽極Mag-Ⅰ放電通道內(nèi)磁場分布與非導磁陽極一致,對應的通流面積增大,通道內(nèi)工質(zhì)密度降低,工質(zhì)利用率降低,推力較小;導磁陽極Mag-Ⅱ的磁場強度和梯度都增大,工質(zhì)利用率得到提高,推力增大。
【圖文】：

推力器,離子