低功率变截面通道霍尔推力器电离特性.pdfVIP

. 推 进 技 术 年 月 . . 第 卷 第 期 低功率变截面通道霍尔推力器电离特性 蓦. 一 一 一 们 . 呈¨ 幽 兰 一脚 宁中喜,张世强,于达仁 一;誊? 曲磊 哈尔滨工业大学 等离子体推进技术实验室,黑龙江 哈尔滨 摘 要: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。 ~一~ 二一垂 一一星 关键词:霍尔推力器;通道变截面;低功率;工质电离分布 中图分类号: 文献标识码: 文章编号: ? 一 ‰ 一 詈 .薹 . ? .? . ? 一训耋量~.洲~圣蚕∞Ⅲ矾詈耋堇一砒括耋薹 一营唧 , , . 一一呻 喈 舳莹 ∞ 善 , 一 Ⅲ 一一.善 但整体面容比的增加使通道近壁面效应增强,进而引 引 言 起了电离加速过程的大幅改变,同样造成了推力器性 霍尔推力器, 是一种具 能的下降 。此外,由于结构限制,小尺寸很难 有较高效率和较大推力密度的电推进装置,广泛应用 进行磁场优化,这也造成了推力器性能的下降。可 于在轨平台的位置保持和姿态控制 。随着深空探 见,在保证推力器结构不变的前提下提高低供气流量 测和微小卫星组网等任务的需求,霍尔推力器的低功 时电离区的原子数密度,应该是提高低功率性 率研究逐渐成为一个新的热点。 能的另一种方法。 霍尔推力器的低功率设计一般是通过降低供气 国外在如何提高工质利用率方面进行了一 流量 和减小特征尺寸 ’纠来实现。但是供气流量 些探索性研究。 的实验发现,低流量下 降低后,通道内的原子数密度也将成比例降低,导致 增加放电通道长度有利于提高工质利用率和效 电子和原子间碰撞电离频率呈指数衰减,从而造成工 率 ’ ; 研究了通道内阳极区截面缩变 质利用率的下降和推力器整体性能的降低 。 。缩减 的影响,发现该方法可以提高推力 ’ ; 截面尺寸虽然保证了电离区原子数密度不变, 也利用通道变截面研究了放电稳定性与电离之 收稿日期:? ;修订日期:? 。 基金项目:国家自然科学基金 。 作者简介:宁中喜一 ,男,博士,讲师,研究领域为电推进技术。 :. . 第 卷 第 期 低功率变截面通道霍尔推力器电离特性 问的关系;利用实验比针对第一代 ,研 究了通道长度和通道截面变化对工质利用率的影 响¨ 。结果显示,对于低流量和低功率放电模态,增 加通道长度和在电离区缩减截面积,可以明显地提高 推力器的工质利用率以及比冲和效率参数。但限于 实验测量手段的不足,作者没有继续深入分析变截面 方法对电离过程和电离分布变化影响的规律,也没有 讨论对束流特性的影响。国内的康小录等针对.. 及其低功率下的性能进行了相关优化研究,并分 析了磁场对推力器性能的影响¨ ;杨涓等利用微波 流发散半角 反映了推力器喷射等离子体束在空 电离工质的方法,对于霍尔推力器电离过程控制和提 间上的扩展程度。对于束流半角比较小的等离子体 高利用率也具有非常重要的借鉴意义 。 射流形态,传统的在较远距离上利用法拉第探针在羽 本文针对具有束聚焦优势的 型,研 流区扫描 。的方法 已很难适用,因为离子复合 究了变截面对其放电特性及通道内工质电离分布和 效应以及原子离子间的碰撞已经影响了 和 的 束流特性的影响。 计算,本文采用了一种在羽流近场区内利用直线电机 快速测量离子电流分布的方法¨ ,并根据其径向分 实验装置及参数测量方法 布结果计算工质利用率和羽流发散半角。 . 变截面霍尔推力器 . 工质轴向电离分布 实验装置为霍尔推力器. ,参见图 , 通道内工质轴向电离分布 的测量采用了无接 额定功率为 .,羽流发散半角约 。的 型 触的发射光谱法。 最早利用日冕模型计 第二代霍尔推力器 。为方便调节阴极耦合特性, 算了稳态条件下工质在通道内的电离分布 。针对 空心阴极选为外热式,发射体为。实验中的 氪工质选用了强度较大的的特征线 . 工质气体为纯度 . %的氪,因为它比氙具有更 和. ,并利用双谱线法计算通道内平均电子 高的电离能和更小的电离截面,在工质利用率较低的 能量 和工质电离 的分布。文献给出了两条 情况下变截面的效果会更明显。整个放电装置放置 谱线对应能级的激发截面,误差为± %;文献 在直径 . ,长 的真空舱内,在总的供气质量流 给出了氪的一价电离截面,误差为± %。通道 量小于/ 时,舱内的压力将不高于 . × 内的用于激发和电离原子气体的低能电子份额分布,。推力测量采用了精度 ± . %的三丝扭摆装