外回路调控放电振荡影响霍尔推力器性能的实验研究

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霍尔推力器是一种利用电场和磁场共同作用将电能转换为工质动能的能量转换装置,作为航天产品其性能的研究和提升具有重要意义。霍尔推力器放电过程中的电流低频振荡反映工质在通道内的电离及离子在电场中获取能量的过程,因而放电电流低频振荡与推力器性能密切相关,研究放电电流低频振荡对霍尔推力器性能的影响规律及其机制具有重要的理论价值和应用意义。  针对目前无法实现在不改变稳态放电参数条件下独立调控振荡,进而研究振荡对性能影响的问题,本文首先以推力器端口电流为输入信号,端口电压为输出信号,建立外回路结构/参数和电源内阻的传递函数,研究不同外回路结构/参数下幅频特性的变化规律,评估通过改变外回路结构/参数,进而改变推力器端口交变分量,调控放电电流低频振荡的可行性。实验验证在保证推力器稳态放电参数不变的条件下,外回路参数能有效地影响放电电流低频振荡幅值,创造霍尔推力器放电低频振荡特性的独立调控实验方法,为研究放电振荡与性能的关系提供实验条件。  其次,通过调节外回路参数改变放电电流振荡特性,实验研究了不同稳态工作参数下放电电流振荡对推力器宏观性能的影响。研究结果表明,对于固定构型的推力器,不同工况下振荡对性能的影响规律不同,在高电压大流量的工况下,推力器的宏观性能参数(如推力、比冲、效率、推力/功率比)随着放电电流振荡幅值的增大而减小;在低电压小流量的工况下,推力器的性能参数随着放电电流振荡幅值的增大而增大。这说明不同工况下,不同放电振荡幅值下工质电离过程、电子传导以及羽流发散具有显著差异。  第三,为弄清不同振荡幅值下,推力器性能差异的物理机制,实验测量了不同振荡幅值下推力器等离子体参数的变化规律。实验结果表明,不同推力器工作参数下,放电振荡幅值的增加均会增加通道内工质的电离度并使能量分布峰值增大,高能离子份额增加。因此,低电压小流量工况下,随着放电振荡幅值的增大推力和效率均得到提高,但是对于高电压大流量工况,放电振荡幅值的增大同时伴随的电子电流大幅增大和羽流发散损失的增大,导致推力以及阳极效率随之降低。  最后,为进一步理解低频振荡时间尺度内等离子参数的变化规律,本文在放电振荡近似周期性变化的假设条件下,采用调制法研究了低频振荡时间尺度内羽流发散角以及离子能量分布的变化规律,实验结果表明,羽流发散角以及能量分布的变化周期与放电振荡周期基本相同,在放电电流振荡幅值增大时,羽流发散角降低,离子能量分布变宽,峰值降低;当放电电流振荡幅值降低时,羽流发散角变大,离子能量分布集中,峰值提高。
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