高电压霍尔推力器能量损失分析及改进

发布时间：2020-04-08 21:39

【摘要】：随着电源技术的发展和全电推进卫星平台的提出,现阶段对大功率、高比冲发动机需求不断增加。提高霍尔推力器比冲最有效的方法是提高放电电压,然而一般传统的霍尔推力器在高电压下的性能大幅下降,推力器设计存在高比冲和高效率的折中问题,因此研究高电压下霍尔推力器效率下降的主要原因对高电压推力器设计具有重要意义。本文主要工作如下:首先,针对放电通道内的壁面热沉积进行实验研究。利用热平衡状态下的热流分析,通过壁面测温的方式对壁面热流进行诊断。对比发现高低电压下壁面热流随放电电压变化规律的差异,并解释了其原因。同时通过磁场外推显著减小了壁面热流,为高电压推力器优化奠定基础。此外,首次提出了一种新的探针诊断思想用于区分壁面热流中电子热流及离子热流的贡献,并利用热仿真对其理论可行性进行验证。其次,对阳极热沉积进行实验研究。利用阳极关机瞬间的热动态特性并基于集中参数法假设,通过测量阳极关机后的温度下降速率反推推力器工作期间阳极热流。研究放电电压、磁场强度、放电电流等参数对阳极热流的影响规律,并简要分析其机理,探索减小阳极热流的优化方法,为高电压推力器阳极热过程优化提供依据。再次,以霍尔推力器能量转化过程中能量形式和最终的作用对象为分类标准,建立合理的能量损失体系,并给出各项损失的实验评估方法。利用实验手段研究主要能量损失特性及随放电电压的变化规律,找出占据主导地位的能量损失机制。最终发现了高低电压下能量损失特性的差异,找到了限制高电压霍尔推力器效率的主要能量转化过程,为下一步高电压霍尔推力器优化设计指明了方向。最后,对HEP-100HV霍尔推力器进行改进,主要包括放电通道形貌优化以及磁场外推的磁场优化,并利用实验验证其在变截面通道并配合磁场外推的结构下的性能及放电特性。拓宽了推力器的稳定工作区间,最终实现了900V电压下长时间稳定工作,并且没有出现过热现象,同时羽流边界更加清晰,接近磁聚焦模式,阳极比冲达到3467s,阳极效率64.8%,与国际上典型高电压霍尔推力器相比可在更高的电压下高效率放电。
【图文】：

性能特性,推力器

压霍尔推力器研究现状俄罗斯 RIAME 研究所开始高电压霍尔推力器的研究方式相继研究出 SPT-140[4]、SPT-80[5]、SPT-115[6]、型号高比冲霍尔推力器，并提出霍尔推力器在高电压。Alexey Lazurenko 和 Vladimir Kim 分别在各自发表推力器设计发展方向进行总结，，提出磁场优化匹配、法[9]。anzella 在进行高电压 SPT 性能研究过程中发现，阳存在一个峰值，当放电电压超过一定范围后阳极效率反示[9]。实验结果表明，随着流量的变化，最优放电范围内。这个结果说明随着放电电压的进一步增加能推力器效率的下降。文章中指出很可能是在高电压下损失增加，针对此问题提出放电电压和磁场的匹配优提高磁场强度来限制电子向阳极的传导。

能量平衡,体系,动能

在进行高电压霍尔推力器效率分析研究中提出效率分析阳极放电效率、阴极效率和励磁效率相乘得到，通常推，阳极效率受到电荷利用率、电压利用率、电流利用率[14-20]。效率的分析通过推力器能量转化物理过程推导出霍尔推力器的效率优化可以从以上几个效率所代表的物率较低的物理过程提出针对性的解决办法。损失体系划分研究现状军实验室 Kristi de Grys利用能量平衡分析提出了一个能图 1-2 所示。从能量的形式上对各种能量进行划分，离动能和电势能。动能分为直接动能和间接动能，直接动，间接动能是离子的径向速度产生的动能。在间接动能向动能和热能。热能划分为羽流的随机热能和等离子体直接作用产生的热能，主要包括电极欧姆热、电子功率
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V439.4

【参考文献】