大功率霍尔电推进研究现状与关键技术

综述了大功率霍尔电推进技术的国内外研究现状,并结合未来空间任务需求,指出了大功率霍尔电推进技术的发展趋势。根据大功率霍尔电推进的技术特点,从基本理论和工程实现的角度,指出了大功率下需要攻克的关键技术,主要包括:较高等离子体密度带来的离子热能化和溅射腐蚀增强问题、大电流动态感应磁场干扰问题、严重的热负荷问题、大结构尺寸问题、大发射电流阴极、变工质放电、阴极中置以及地面试验问题等,并分析了相应关键技术的解决途径和技术方向。

电推进空心阴极热子的寿命评估研究

为了评估阴极热子失效对阴极寿命的影响,在考虑空心阴极热子加热功率和蒸发速率的基础上,利用建模分析的方法研究了阴极热子阻值退化过程及热子初始半径对寿命的影响,分析了阴极热子寿命评估的误差传播特性和基于阻值变化的阴极热子寿命评估方法。结果表明阴极热子退化过程是一种典型的失稳过程;阴极热子寿命对初始半径的敏感度较高,热子半径每减少2μm,寿命减少约50%;热子初始半径误差在退化过程中会被剧烈放大,初始值的微小标准差经过这一发散过程后标准差从0.046增大到0.083,高于初始值近两倍,在空心阴极的加速寿命评估中恒流工作模式的稳定性较差。

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。

微波推力器独立系统的三丝扭摆推力测量

为了探究微波推力器的推力性能,采用三丝扭摆推力测量方法对微波推力器独立系统开展推力测量实验,同时分析三丝扭摆推力测量装置的数理模型并实验测定其不确定度,由此判断实验测量结果的可信度。推力测量结果表明,现有实验条件下三丝扭摆推力测量装置能测出不低于3m N的推力,其相对不确定度为14%;在三丝扭摆推力测量装置的推力测量范围内,没有测出微波推力器独立系统显著的推力,而是在230W微波功率输出条件下测出推力在±0.7m N范围内波动,相对不确定度大于80%。

低功率变截面通道霍尔推力器电离特性

在不改变霍尔推力器特征尺寸的条件下为了提高其低功率时的性能,采用缩小通道局部通流面积的方法,利用增加电离区原子密度来提高工质利用率。实验结果表明,该方法能有效拓展低功率放电范围,控制工质电离过程,增加工质利用率,并提高霍尔推力器在低功率下的推力、比冲和效率性能。羽流发散角优化是后续变截面研究中需要重点关注的问题。

供气周向不均匀对霍尔推力器放电特性及性能的影响

研究发现,由于气体分配器安装及制造误差,或者出气孔被溅射产生的粒子阻塞容易导致霍尔推力器周向出气不均匀。采用堵塞气体分配器出气孔的方式实现周向不均匀气体分布来研究供气周向不均匀程度对霍尔推力器放电特性及性能的影响,试验得到了不同情况下的电流特性、近场区离子电流密度分布以及整体性能参数。结果表明,出气周向不均匀导致放电电流增加,增量最大可达25%以上,放电电流振荡严重,同时减小了推力器的效率和比冲。

磁路温度对霍尔推力器放电热稳定性的影响

为研究磁路高温性质变化对霍尔推力器放电热失稳的贡献及影响机理,对不同磁路温度下推力器的工作磁场强度开展了实验测量,对磁路温度变化与通道内等离子体放电行为变化的交互影响开展了Particle-in-Cell数值模拟研究。实验结果表明,当磁路温度由室温升高到600℃时,推力器的工作磁场强度发生了衰减,尽管衰减量不大(约5%)。模拟结果表明,磁路高温引起的场强衰减改变了推力器放电时的电导率及电势分布,进而对电子能量各向分布、粒子密度分布等造成了影响,促进了电子在壁面的通量及能量损失,主导了壁面等离子体沉积功率的增加,从而进一步加剧了磁路温度的增长。这是一个具有正反馈性质的过程;因此,若不能通过外部手段有效控制磁路温度,将诱发霍尔推力器的放电热失稳。

HET-450大功率霍尔电推力器仿真分析及试验

针对大功率霍尔推力器耐受强热载荷不易稳定工作、宽放电电压范围调整难以高效电磁调控等关键难点,兰州空间技术物理研究所与哈尔滨工业大学联合开展了10 kW级以上大功率霍尔推力器技术研究,开展了热分析设计,并建立热仿真模型,计算获得关键组件稳态温度,结果显示各部位温度均满足设计要求;同步建立了PIC仿真模型,进行了80 mg/s固定流率下,不同电压下电离特性分析,结果表明推力器放电腔口径较大情况下,电压低会使工质利用率降低从而导致推力器效率低;进一步,开展性能分析,得出600 V阳极效率低于500 V时工况,分析为电离不充分和壁面能量损失所致;此外,基于实验样机开展了试验研究,实现30 kW功率下的稳定工作,表明针对性热防护设计具有较好效果,并采用激光干涉推力测量法,获得推力为1.33 N,与仿真数据所得1.38 N偏差在5%以内,具有较高的符合度,表明推力器设计合理有效。

无热子空心阴极冷启动特性研究

为了研究无热子空心阴极冷启动特性,测量了点火电压、供气流量、触持极与发射体间距等对空心阴极的点火及放电特性的影响。随着空心阴极点火电压从200-600V逐渐升高,阴极冷启动过程分成了未点着过程、过渡过程和稳定点着过程。稳定点着过程分成了击穿和自持两个阶段;在过渡过程中随着点火电压升高,冷启动时间逐渐缩短;在1-9sccm范围内逐步增大供气流量,无热子空心阴极冷启动点火电压逐渐下降;无热子空心阴极的放电特性与传统有热子空心阴极放电特性基本保持一致,同时随着触持极与发射体间距从2.3mm逐渐增大到4.3mm,放电特性也逐渐恶化。

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。

节流孔板位置对空心阴极特性的影响研究

为满足全电推进系统的宽放电电流范围需求,开展了节流孔板内移研究。将传统结构空心阴极的一部分发射体转移到节流孔板下游,即节流孔板夹放在两段发射体之间。对比测试发现,新结构阴极的阳极电压大约降低4V,空心阴极的内压提升约50%,供气管外壁最大温差由原来的94℃下降到25℃,阳极电压振荡小于8V。进一步,利用光谱诊断系统,对阴极羽流区进行了研究。通过对羽流区等离子体固定位置进行全谱(400nm^1000nm)扫描,发现节流孔板内移之后,阴极羽流区新出现了波长为529nm和542nm的光线。利用Kura相机拍摄的羽流区二维等离子体分布图像显示,当放电电流为4A时,阴极羽流区的Xe和Xe+的密度低于传统结构空心阴极。宏观特性测试结果显示节流孔板内置式阴极可以在更宽的电流范围内维持点模式工作。可用于需要宽放电电流范围的全电推进系统以及需要低阴极供气流量、高比冲的小型电推进平台。

Hall推力器一维流体模型的小波解

不同于传统的离散差分求解,采用小波方法求解了反映Hall推力器工作原理的一维流体模型。对计算结果进行分析表明,小波解准确地描述了推力器的轴向放电特性以及低频振荡特性。同时,小波解显示,在一定范围内提高预电离度能减小放电电流振荡幅值,与实验结果吻合,但小波解指出提高预电离度会使得放电稳定性变差,这是之前没有被发现的。小波解提供了一种更加深入理解Hall推力器的新视角。