低频振荡对束聚焦型霍尔推力器性能的影响

论文摘要

霍尔推力器以其特有的高比冲、高效率的优势被广泛应用于卫星推进及深空探测等任务。低频振荡是霍尔推力器工作过程中不可避免的现象,与推力器内部的电离和加速过程有着密切的关系,并对推力器性能有着严重的影响。目前对低频振荡的研究已经有一段的历史,在研究过程中主要的低频振荡调节手段是变化通道内的磁场强度,就目前国内外的研究成果来看,还没有比较全面的关于低频振荡与推力器性能之间关系的总结。由于磁场强度作为霍尔推力器放电参数之一,它的变化必然会对推力器的性能造成影响,所以,在通过变化磁场获得不同低频振荡情况来研究推力器性能变化的过程中,无法确定推力器的变化是由于磁场引起的还是由于低频振荡导致的。本文针对这一实际情况给出了不改变放电参数前提下改变霍尔推力器内低频振荡的方法——调节外回路参数(电阻、电感和电容)。除此之外,本文还从外回路控制低频振荡的角度出发,以现有的实验测量和数值模拟手段对低频振荡影响推力器性能的机制进行了较为深入的研究。首先,从推力器供电回路和低频振荡描述出发,通过一系列的正交实验,给出了外回路参数对低频振荡特征参数(振荡幅值、相角差、振荡频率)的影响规律,并从霍尔推力器通道内电离和加速角度给出了电流振荡和电压振荡的内部物理过程。其次,通过实验和数值模拟深入研究了电流振荡影响霍尔推力器放电电流的原因以及电压振荡对推力影响机制两个问题。在研究电流振荡与放电电流关系的过程中,从放电电流的组成入手,经分析给出了电流振荡增加时放电电流增大、电流利用率降低的原因。在对推力与电压振荡关系中,从推力的基本表达式入手,通过实验总结给出了电压振荡变化时推力的主导影响因素,并结合数值计算给出了推力受电压振荡变化的影响机制。最后,从实验角度出发,以霍尔推力器效率体系为依托,给出了外回路参数电阻、电感、电容与推力器各个利用率特性之间的关系,指出外回路参数的匹配可实现推力器性能的优化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 电推进技术的发展
• 1.2 霍尔推力器中放电振荡的研究进展
• 1.2.1 霍尔推力器中的振荡现象
• 1.2.2 霍尔推力器中低频振荡研究
• 1.3 低频振荡对霍尔推力器性能影响研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 外回路对低频振荡的影响
• 2.1 引言
• 2.2 低频振荡的理论描述及其特征参数
• 2.3 外回路对低频振荡影响的实验研究
• 2.3.1 实验平台介绍
• 2.3.2 实验结果
• 2.4 HET 内低频振荡的物理过程
• 2.4.1 电流振荡过程
• 2.4.2 电压振荡过程
• 2.5 本章小结
• 第3章 电流振荡对放电电流的影响
• 3.1 引言
• 3.2 电流振荡对HET 推力、比冲、效率的影响
• 3.3 霍尔推力器中的放电电流
• 3.4 电流振荡对电子电流和离子电流影响的实验研究
• 3.4.1 实验方案设计
• 3.4.2 实验结果分析
• 3.5 电流振荡对电子电流和离子电流影响的机制研究
• 3.5.1 模型方程
• 3.5.2 计算结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 电压振荡对HET 能量损失及推力的影响
• 4.1 引言
• 4.2 HET 内能量损失分布
• 4.3 电压振荡对HET 推力影响的实验研究
• 4.3.1 实验方案设计
• 4.3.2 电压振荡下影响推力的主导因素探究实验
• 4.3.3 电压振荡对推力的影响机理的实验研究
• 4.4 机理分析——通道内电势分布的计算
• 4.5 本章小结
• 第5章 霍尔推力器外回路参数对性能综合影响分析
• 5.1 引言
• 5.2 霍尔推力器效率体系
• 5.3 外回路参数对HET 性能的影响
• 5.3.1 外回路参数对束流特性的影响
• 5.3.2 外回路参数对HET 利用率特性的影响
• 5.4 外回路参数对HET 效率的综合影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢