霍爾推力器低頻振蕩特性及控制研究.pdf

1、霍爾推力器以其高比沖，高效率的優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于各種空間任務(wù)。放電電流的低頻振蕩是霍爾推力器工作過程中最基本特性之一，它直接與推力器的電離和加速過程相關(guān)，并影響推力器的性能，是推力器研究的主要內(nèi)容之一。目前對于低頻振蕩的研究主要包括數(shù)值模型、振蕩機制以及推力器工作參數(shù)對振蕩特性的影響。而由于低頻振蕩過程較復(fù)雜，現(xiàn)有研究對振蕩狀態(tài)的描述不夠完整，多數(shù)研究成果只是針對低頻振蕩的局部特性給出，大量的數(shù)據(jù)無法結(jié)合以給出振蕩特性的完整描述。本文針對

2、現(xiàn)有研究工作的特點，通過數(shù)值模擬給出低頻振蕩的完整機制及過程。采用實驗對振蕩分類以形成振蕩狀態(tài)的完整描述，在此基礎(chǔ)上研究了低頻振蕩隨工作參數(shù)變化特性及不同振蕩模態(tài)所對應(yīng)的推力器內(nèi)部電離及加速特性。并針對低頻振蕩的控制方法進行研究。
　　首先，采用流體模型對低頻振蕩進行描述，并針對電子運動特點對模型作進一步改進。通過與現(xiàn)有模型及實驗結(jié)果對比，指出改進后的模型給出了更為合理的中性氣體電離及離子加速的動態(tài)特性，從而更準確地描述了低頻振蕩

3、過程。
　　數(shù)值計算中不同模型都能得出放電電流的低頻振蕩，說明這些模型都包含了低頻振蕩的主要機制。低頻振蕩的機制一直以來是采用傳統(tǒng)的捕食形式模型來解釋，本文通過詳細的分析指出該模型邊界條件存在不合理之處。進而通過數(shù)值分析說明低頻振蕩是中性氣體填充、中性氣體的電離以及電場變化三個過程的綜合作用。而傳統(tǒng)捕食形式模型單獨針對電離區(qū)建模，只描述了中性氣體填充和電離兩個過程，由于沒能給出電場變化的動態(tài)特性，使得模型的邊界條件不合理。本文通過

4、引入動態(tài)離子速度來體現(xiàn)變化電場的作用機制，從而解決了傳統(tǒng)捕食形式模型邊界條件不合理的問題，給出了包含完整機制的捕食形式模型。
　　其次，根據(jù)不同工況下放電電流振蕩特性對低頻振蕩進行分類，結(jié)合振蕩幅值以形成對低頻振蕩狀態(tài)的完整描述。實驗得到不同質(zhì)量流量和放電電壓下低頻振蕩隨磁場強度變化的兩種規(guī)律，借助數(shù)值計算和電流成分分析，分區(qū)域給出低頻振蕩變化的物理機制分析。在低頻振蕩分類及磁場強度對低頻振蕩影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合放電電壓和質(zhì)量流量對

5、低頻振蕩的影響，綜合得到低頻振蕩隨推力器工作參數(shù)變化特性。
　　再次，分析說明低頻振蕩受推力器內(nèi)部電離及加速過程的影響，其振蕩模態(tài)蘊含著豐富的信息。在此基礎(chǔ)上，實驗測量得到不同振蕩模態(tài)下通道內(nèi)電離及羽流中離子束特性，結(jié)合推力器磁場設(shè)計過程給出電離特性對羽流離子束發(fā)散角的影響。參考推力器工況調(diào)節(jié)過程，通過實驗得到磁場強度對推力器推力、比沖及效率的影響。結(jié)合工作參數(shù)對放電電流影響規(guī)律，給出推力器最佳工況點的選取流程。
　　最后，