SPT100磁路系统设计

《磁路系统设计报告》1.绪论1.1霍尔推力器磁路系统设计的意义图1HET示意图霍尔推力器（Hall-EffectThruster，HET）一般具有中空共轴的结构（图1是HET二维剖面图），其典型的推进剂是惰性气体氙气或氪气。推进器通道内存在正交的电磁场，其中磁场对电子从阴极向阳极的流动过程起到阻碍作用，这样电子被束缚在同轴加速通道出口附近，并在正交电磁场作用下产生EB×vv方向上的霍尔电流，同时这些被束缚的电子还形成了对中性的推进剂原子进行电离的电离区间。电子与中性粒子碰撞产生离子和更多的电子，这些产生出的电子一方面用来提供电流，另一方面可以继续电离其它的中性粒子。离子由于有较大的Larmor半径（通常是米的数量级）通常忽略磁场对它的作用，而在轴向电场的作用下加速喷出形成推力。最后高速的离子流与外部的电子源进行中和[1]。从对HET工作原理的描述可知HET是以电磁联合工作为基础的，合适的磁场是HET正常工作的基础，也是实现HET各种工作性能的重要保证。因此，磁路设计至关重要，是HET本体设计的核心[2]。HET磁路系统设计实际上属于工程设计问题，这样就要受到特定应用需求的制约，这些需求规定了HET的运行条件，也就限制了相应得磁场形貌和磁场强度，因此HET磁路设计最终是一个磁路参数之间的优化问题，它涉及到导磁材料的选择、导磁部件的几何结构与位置，以及励磁线圈的设计等诸多因素，并且这些因素中有些属于线性问题有些则属于非线性问题，情况较为复杂，所以对磁路系统设计的研究势在必行。同时，这项研究也是我国现阶段研究HET的迫切需求。由于我国对HET的研究起步较晚，大多数集中于对HET内部物理机制方面的理论研究，主要通过数值模拟方法或借助仿真软件来完成，但是由于模型建立是基于诸多假设和简化之上，与HET实际运行产生的结果还存在差异，因此建立在理论分析基础上的研究还需要通过实验进行验证，而且对HET的实验研究也是国外研究工作者主要采用的研究手段之一。目前我国用于实验研究的样机大多从国外引进，购买和维护需要投入的大量资金，这也成为制约我国HET研究发展的重要原因之一。所以，开展HET磁路系统设计的研究对于提升我国对HET自主研发能力，加快HET在我国空间领域中的应用具有重要的意义。1.2HET磁路系统设计的研究现状HET磁路系统设计要产生特定需求的磁场位形，从而可以使磁场通过控制等离子体出射行为，实现不同航天器对推进器性能的要求。从HET的发展历史可以发现每一次HET磁路及相应磁场设计的改进都会带来HET性能的大幅度提高。1.2.1国外研究现状在20世纪60年代，Shchepkin-Morozov实验室在研制HET的过程中为了避免电子漂移受到阻碍产生二次电场引起几十安培的高放电电流，就设想了电子漂移要闭合的思路。因此遵循这一原则，在磁路结构上采用了四个缠在圆柱铁芯上的外线圈和一个内线圈来产生径向磁场位形[28,29]，从而与轴向电场配合来产生电子沿周向的闭环霍尔漂，这种磁路设计结构成为HET的雏形。1971年前苏联发射的第一代HET中的磁路结构就是在径向直磁场位形的理念下设计成功的，其磁场设计原则可以归结为磁场方向沿径向和磁场强度沿通道轴向正梯度变化两个定性要求，在该磁场设计理念下，第一代HET的典型性能指标为效率约50%，羽流发散角约45º，比冲约1500s。虽然第一代HET运行性能较为稳定，但是却存在羽流发散角过大的缺点，这不仅造成了HET自身壁面腐蚀问题，还影响了航天器与地面的正常通讯[3,4,5,6,7]。上世纪90年代初，莫斯科无线电电子与自动化技术学院（MIREA）在与法国SEP公司的合作下，于1996年发布了一种新设计的HET-ATON,被称为第二代HET[8,9]。与第一代HET相比，ATON推进器最大的改进除了结构上在阳极前增加了一个缓冲腔以使工质气体均匀化之外，就是改进了通道内的磁路结构和磁场位形的设计。ATON发动机采用了一个缠在圆周方向上的外线圈和两个内线圈来产生磁场位形，其效率可达到68%，羽流发散角小于10º，比冲2000s以上，在技术水平上达到了目前绝对国际领先地位。在对ATON推进器进行实验研究中又发现推进器与真空室之间的相互作用非常强烈，为了研究其中的物理现象，A.I.Morozov和A.I.Bugrova教授又设计了一套双级稳态等离子推进器HETMAG。该推进器也具有缓冲腔结构，采用缠绕在圆周方向上的内、外两个线圈和在缓冲腔中安置一个“MIXINE”产生磁场分布，从而优化了等离子体源及其电势分布。实验结果表明在放电电压为900V，阳极流量为3mg/s的情况下，比冲可以达到3700s；放电电压为500V，阳极流量为6mg/s时效率达到67%，羽流发散角在8º~10º之间[10]。俄罗斯Keldysh研究中心近几年也提出了一种四线圈的磁路结构，它在同轴磁路中放置了四个励磁线圈，两个主线圈，两个副线圈，同时还增加了磁屏。这样的结构不仅可以改变最大磁场强度的位置以及径向磁场梯度的大小，而且还可以在磁场最大的位置形成良好的磁场形貌，磁场位形的调节范围更加广泛[11]。相对于俄罗斯而言，美国对于HET的研制工作重新启动开始于20世纪90年代，目前已有多所大学及其他科研机构从事HET方面的研究，其中密歇根大学在磁路及磁场设计方面的研究较多。他们起初所设计的HET磁路结构与HET100相类似都是由一个内线圈和环绕于圆周上的多个外线圈[12,13]组成，但是其效率和比冲并不能满足需求，他们认为主要是磁场位形影响了性能的提高，因此曾对5kWNASA-173M推进器磁路结构进行了系列研究和优化，首先研究了5kWNASA-173M推进器磁路结构中出口处磁极形状、相对位置以及磁屏改变后对磁场位形的影响，并测量了不同磁路结构形成的羽流发散角。结果表明最优的磁路结构形成的羽流聚焦长度最短，磁屏在磁路中的主要作用在于改变通道中磁场的弯曲程度[14]。之后研究人员通过在5kWNASA-173M推进器的阳极后方新增加一个线圈成功实现了类似ATON推进器中的“零磁场”区域，该型号的推进器被称为5kWNASA-173Mv1[15,16]，最后又对该型号推进器磁路进一步优化，产生了5kWNASA-173Mv2推进器，它是在出口处又增加了一个线圈用来调节出口处的磁场位形，研究结果表明NASA-173Mv1在流量为10mg/s，放电电压为300-800V时效率平均提高了2.3%，羽流发散角在300V和500V时分别为6度和4度；而NASA-173Mv2在流量为10mg/s，放电电压为300-1000V时效率平均提高了0.8%，羽流发散角在300V和500V时均为4º[17]。欧洲关于HET的研究主要集中于法国。法国通过与俄罗斯合作从1991年开始引进研制HET，到目前为止已经研制成功一台HET-PPS1350，磁路结构基本与HET100相同，只是在阳极区域多了一个“零磁场”区域[18]，功率可以达到1500w，比冲1720s，推力88mN，羽流发散角42º，该型号推进器已在STENTOR地球同步轨道卫星和2003年发射的探月卫星SMART-1上成功应用[19,20]。为了使PPS1350可以在更高的放电电压下运行，研究人员又提出了PPS1350的升级版本PPS1350MLM，该型号推进器在导磁底板与通道壁面之间的空间中增加了一个线圈用于产生更高的磁通。实验结果显示新磁路虽然产生的推力有所提高，但是比冲和效率几乎没有变化[21]。同时法国与俄罗斯合作开展了关于第二代HET-ATON推进器的地面实验。测量了不同放电电压下ATON推进器的放电电流以及推力，比冲和效率等性能参数[22]。可见，法国通过与俄罗斯的合作在HET的研制方面基本追随俄罗斯的研究步伐。日本对于HET的研究起步较晚，但也取得了比较好的研究成果。Osaka大学开发了THT系列的HET，在THT系列的推进器上做了磁场对放电电流影响的实验，取得了很好的研究成果。实验表明放电电流对磁场形状和磁场强度都很敏感。在固定的质量流量下，放电电流随着磁场强度的增加而减少，但是推力对磁场强度的变化并不明显。同时他们还在安匝数比（安匝数比是内线圈安匝数与外线圈安匝数之比）为73时找到了最优的磁场结构，该磁场结构形成的离子流会在小壁面损失和低羽流发散的情况下有效加速和出射，这个结论与磁场强度和放电电压无关[26]。除以上国家之外，德国、西班牙、意大利、以色列等国家也在HET研究之中取得了一些成果。1.2.2国内研究现状我国上海801研究所是开展HET研究比较早的单位。801所自行设计了HET推力测量地面试验系统，开展了HET-70、HET-100推进器的研究，根据S-863计划内部会议公布的技术资料，其研究的HET-100推进器预期技术指标达到推力80mN，效率50%，比冲1650s，羽流发散角40º，技术指标达到美国和欧洲水平。在磁场研究方面801所采用ANSYS大型有限元分析软件对一个具体的HET在额定工况下的磁场进行了计算，获得了满意的结果，为所计算具体推进器的改进设计提供了线索，也证实了以ANSYS为软件平台的稳态等离子体推力器磁路系统计算机数值仿真辅助设计的可行性和有效性[2]。哈尔滨工业大学等离子推进实验室通过和俄罗斯MIREA大学的合作，基本掌握了HET-ATON的关键技术，使我国HET技术跨越进入了第二代发展阶段，研制了1200W的第二代HET实验室样机，性能指标达到效率68%，比冲2000s，羽流发散角10º的国际先进水平。2.HET磁路系统设计的基本理论从HET的概念诞生以来，磁场一直是HET最重要的设计因素，每一次磁场的改进都会带来HET性能的大幅度提高。因此，明确磁路设计的基本理论，掌握现有HET磁场位形特点将为HET磁路系统的设计提供有针对性的指导。在HET磁场计算过程中，等离子体对磁场分布的影响可以忽略不计，另外考虑到霍尔推力器轴对称的特殊几何结构，因此，它的求解过程可以归结为一个典型的二维轴对称的静磁问题。EquationChapter2Section12.1静磁场计算基本定律处理这类问题主要以两大基本定律为基础：（1）高斯定律目前，所有的相关实验均表明磁力线是闭合的，例如通电直导线周围的磁力线是以导线为圆心的同心圆；通电螺线管的磁力线无头无尾，也是闭合的。所以通过任意一条封闭曲线的磁通量必然为零，即0sBds⋅=∫(1-1)(1-1)式是磁场的高斯定律的积分形式，利用散度定理，将面积分变成体积分，即0sVBdsBdV⋅=∇⋅=∫∫(1-2)由于上式对任意闭合面都成立，所以可得到高斯定律的微分形式0B∇⋅=(1-3)高斯定律(1-1)和(1-3)式表明：在磁场中，不管磁介质与磁通密度矢量的分布如何，穿出任何一个闭合曲面的磁通量恒等于零。磁力线是无头无尾的闭合曲线，不存在类似电荷的磁荷。（2）安培环路定律安培环路定律建立了磁感应强度B沿任一闭合路径L的线积分与通过L所包围的面积S的总电流I间的关系，它们之间满足方程0LBdlIµ⋅=∫(1-4)(1-4)式是安培环路定律的积分形式，它表明B的环路积分只与通过环路所包围的面积S的电流的大小有关，而与电流在什么位置通过S以及环外的电流无关。当密度为J的体电流通过L所包围的面积S时，(1-4)式可写成0LsBdlJdSµ⋅=⋅∫∫(1-5)利用斯托克斯定律将(1-5)式左端的线积分变为面积分，则有0SSBdSJdSµ∇×⋅=⋅∫∫(1-6)因为式(1-6)对任意选定的S面都成立，于是可以得到安培环路定律的微分形式0BJµ∇×=(1-7)安培环路定律(1-4)和(1-7)式表明：无论介质和磁场强度Η的分布如何，磁场中磁场强度沿任何一闭合路径的线积分等于穿过该积分路经所确定的曲面S的电流的总和。2.2HET中的磁场计算基础针对HET中具体的磁路系统设计，磁场的分布有其特殊性。对HET磁场的研究最早开始于二十世纪六十年代，俄罗斯Morosov教授等人首先提出利用磁场减小电子电流、聚焦离子的方法[23,24]。他首先将热化电势的基本思