供氣周向不均勻?qū)魻柾屏ζ鞣烹娞匦约靶阅艿挠绊?/h1>
2016-02-13 07:43:47范金蕤丁永杰孫國順于達(dá)仁魏立秋
中國空間科學(xué)技術(shù) 2016年1期
范金蕤,丁永杰,孫國順,于達(dá)仁,魏立秋
哈爾濱工業(yè)大學(xué)等離子體推進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱150001
供氣周向不均勻?qū)魻柾屏ζ鞣烹娞匦约靶阅艿挠绊?/p>
范金蕤,丁永杰*,孫國順,于達(dá)仁,魏立秋
哈爾濱工業(yè)大學(xué)等離子體推進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱150001
研究發(fā)現(xiàn),由于氣體分配器安裝及制造誤差,或者出氣孔被濺射產(chǎn)生的粒子阻塞容易導(dǎo)致霍爾推力器周向出氣不均勻。采用堵塞氣體分配器出氣孔的方式實(shí)現(xiàn)周向不均勻氣體分布來研究供氣周向不均勻程度對霍爾推力器放電特性及性能的影響,試驗(yàn)得到了不同情況下的電流特性、近場區(qū)離子電流密度分布以及整體性能參數(shù)。結(jié)果表明,出氣周向不均勻?qū)е路烹婋娏髟黾?增量最大可達(dá)25%以上,放電電流振蕩嚴(yán)重,同時(shí)減小了推力器的效率和比沖。
霍爾推力器;氣體分配器;周向不均勻;放電特性;羽流
霍爾推力器是目前國際上應(yīng)用最成熟、性能最優(yōu)的主流電推進(jìn)裝置之一,主要用于地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星的在軌位置保持、軌道轉(zhuǎn)移等任務(wù)和深空探測器的主推進(jìn)任務(wù)[1-4]。研究發(fā)現(xiàn)中性氣體流動(dòng)對霍爾推力器運(yùn)行和通道內(nèi)部物理過程有著重要影響[5-7]。一般來說,霍爾推力器中性氣體動(dòng)力學(xué)可以描述為與中性氣體密度分布相聯(lián)系的流動(dòng)特性,與等離子體密度和中性氣體停留時(shí)間直接相關(guān),對推力器的電離加速過程有著重要影響。為了加強(qiáng)電離,在使中性氣體停留時(shí)間最大的同時(shí),放電通道內(nèi)部的中性氣體分布一定要是周向和徑向均勻的,特別是要保證出氣的周向均勻性[7-9]。
氣體分配器出氣周向不均勻可能對霍爾推力器性能產(chǎn)生重要影響。在沒有通過原子間相互碰撞以及和壁面碰撞的充分混合作用前,會(huì)在近陽極區(qū)產(chǎn)生一個(gè)不均勻的氣體分布。由于電離貫穿整個(gè)通道,近陽極區(qū)氣體密度不均導(dǎo)致在主要電離區(qū)上游產(chǎn)生非均勻、部分電離等離子體[7,10]。在這個(gè)區(qū)域由于施加電磁場,電子已經(jīng)被磁化并開始沿著E×B(E為電場強(qiáng)度,B為磁場強(qiáng)度)漂移。電荷分離產(chǎn)生一個(gè)方位電場,造成指向陽極的E×B漂移,直接損失推力器效率。雖然靠近陽極電場相對較小,但是該處中性原子密度較高[11-12],導(dǎo)致電子指向陽極的運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。在中性氣體密度存在周向不均性的條件下,電子運(yùn)動(dòng)局部增強(qiáng),增加了到達(dá)陽極的電子電流,同時(shí)改變了局部的電勢分布。電子通過這種異常擴(kuò)散直接損失了推力器效率,還可能會(huì)破壞羽流的對稱性及對推力器的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[13]。出氣周向不均勻?qū)ν屏ζ鞯牧硪粋€(gè)主要影響是限制了高電壓下的流量選擇及推力器功率水平的提升,不均勻?qū)е碌木植侩婋x以及周向等離子密度梯度能夠產(chǎn)生周向電場,與磁場耦合,除了產(chǎn)生向陽極的霍爾漂移外,還會(huì)增加向壁面的粒子作用,累積的效果增加了壁面熱負(fù)荷,容易導(dǎo)致通道壁面出現(xiàn)局部熱點(diǎn)。尤其是高功率下,容易導(dǎo)致推力器發(fā)生熱失效。
在典型的霍爾推力器中,中性氣體的控制主要通過改變氣體分配器或通道結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),特別是氣體分配器的設(shè)計(jì)[7,14-15]。大部分氣體分配器噴氣方法依賴于多個(gè)小直徑孔,以實(shí)現(xiàn)徑向、軸向、反向等多種噴氣形式。理論上講,在相同的出氣面積下,出氣孔徑越小,通道內(nèi)的氣體分布越均勻,但是地面試驗(yàn)中壁面濺射及返流產(chǎn)生的粒子沉積在陽極,容易堵塞出氣孔,反而造成出氣不均勻。下面通過試驗(yàn)的方法研究供氣周向不均勻?qū)魻柾屏ζ鞣烹娞匦约靶阅艿挠绊憽?/p>
1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.1 試驗(yàn)方案
試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的出氣周向不均勻現(xiàn)象都是由于氣體分配器安裝及制造誤差,或者出氣孔被濺射粒子阻塞導(dǎo)致的。為了研究氣體分配器周向出氣不均勻?qū)ν屏ζ鞣烹娞匦约靶阅艿挠绊?這里采用人為堵孔的方式實(shí)現(xiàn)周向不均勻氣體分布。如圖1所示,氣體分配器為徑向出氣結(jié)構(gòu),采用焊接的方式得到兩種不均勻分布形態(tài),一是集中堵孔(堵住一半的出氣孔),二是均勻堵孔(每隔幾個(gè)孔堵一個(gè)),并與均勻出氣情況進(jìn)行比較。分別測量這3種情況下推力器的放電特性及性能,主要包括U-I特性、B-I特性、ma-I特性、振蕩特性等(U為放電電壓;I為放電電流;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;ma為中性氣體流量)。
圖1 氣體分配器結(jié)構(gòu)及堵孔方式Fig.1 Structure of gas distributor and blocking way
1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)
試驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)等離子體推進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室提供的模擬試驗(yàn)真空平臺中進(jìn)行,該平臺真空罐直徑為2 m、長為5 m,配有3個(gè)抽速為25 000 L/s的低溫泵抽氣,保證推力器正常工作時(shí)真空罐內(nèi)壓力維持在7×10-3Pa級別。供氣系統(tǒng)保證陽極流量在0～100 m L/min、陰極流量在0～10 mL/min范圍內(nèi)精確變化,精度可達(dá)0.1 m L/min。電源電壓可在0～1 000 V范圍內(nèi)變化,精度為0.1 V。推力器采用HEP-100試驗(yàn)樣機(jī),推力器固定在推力架上,推力采用三絲扭秤測量,利用推力與重力相平衡原理,將推力轉(zhuǎn)換為扭擺角,利用激光和標(biāo)尺將其轉(zhuǎn)換成光斑移動(dòng)距離,測量精度較高。同時(shí)外接8通道DL850型錄波儀對振蕩情況進(jìn)行測量,具有高速、高分辨率的特點(diǎn)。
用法拉第探針[16]對推力器羽流進(jìn)行診斷,如圖2所示,該探針由探針收集平面及圓筒形屏蔽殼組成,可以較為準(zhǔn)確地測出離子電流密度分布。探針收集平面為直徑6 mm圓面,試驗(yàn)中通以24 V負(fù)偏壓來排斥電子,這樣收集到的幾乎全是離子。同時(shí)如圖2(b)所示,探針線路中串聯(lián)一個(gè)RC濾波電路,用來排除100 k Hz以上的干擾。探針放在雙自由度平臺上,該平臺通過電腦驅(qū)動(dòng)的電機(jī)改變位置,可在過推力器軸線的水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),精度較高。
圖2 法拉第探針及其探針測量示意Fig.2 Faraday probe and its measuring circuit
2 供氣周向不均勻?qū)Ψ烹娞匦杂绊?/h2>
2.1 放電電流隨工況的變化
第1組試驗(yàn)保持磁場不變,固定陽極流量為42.8 m L/min,電壓在260～380 V之間變化,得到3種情況下的U-I特性如圖3(a)所示。可以看到,堵住一半孔的情況下,放電電流明顯大于其他兩種情況,且隨電壓急劇增大。一般來說,推力器放電電流與氣體流量近似成比例,固定流量不變,即使增加放電電壓,電流不會(huì)發(fā)生很大改變,試驗(yàn)說明出氣孔周向不均勻程度較大的情況下,推力器內(nèi)部的電子傳導(dǎo)過程發(fā)生了變化。第2組試驗(yàn)固定350 V電壓及磁場,流量在34～46 m L/min之間變化,得到了ma-I特性,如圖3(b)所示,3種情況電流均隨流量近似線性增長,同樣堵住一半出氣孔的情況下電流明顯大于其他兩種情況。電流的增加也驗(yàn)證了:出氣周向不均勻性增加了到達(dá)陽極的電子電流。
第3組試驗(yàn)在對比工況(350 V,42.8 mL/ min)下,只改變勵(lì)磁電流Ic,觀察放電電流的變化。如圖3(c)所示,在固定的磁場位型下,均勻出氣及均勻堵孔兩種情況下的放電電流對磁場強(qiáng)度不敏感,但是在周向出氣均勻性特別差的情況下,放電電流隨勵(lì)磁電流有明顯變化。隨著磁場強(qiáng)度的增加,電流是逐漸下降的,說明出氣不均勻的情況下,為了獲得最優(yōu)的性能,所需要的磁場強(qiáng)度更大。隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng),增加了近陽極區(qū)電子跨場運(yùn)動(dòng)的難度,電子電流有一定程度的下降。但是由于氣體周向不對稱導(dǎo)致的電子異常傳導(dǎo)路徑,電子很難被約束,因此隨著磁場強(qiáng)度的增加電流下降的并不明顯。
2.2 放電電流振蕩特性
通過DL850型錄波儀采集放電電流,在對比工況(350 V,42.8 m L/min)下,得到3種出氣方式的電流振蕩曲線如圖4所示,其中橫坐標(biāo)為采集時(shí)間t。首先可以明顯看到氣體周向不均勻分布對放電穩(wěn)定性有很大影響,其中第2種出氣方式放電電流振蕩幅度最大,且存在不規(guī)律的大的電流振蕩。為了更好地比較,這里采用陽極電流振蕩峰峰值來描述,均勻出氣、均勻堵孔、堵住一半情況下峰峰值分別為1.0 A、1.7 A、5.45 A。且振蕩幅度隨電壓和陽極流量的增加而增加。另外在存在出氣周向不對稱的情況下,增加磁場強(qiáng)度雖然在一定程度上減小了電流振蕩,但是和2.1節(jié)的分析一樣,效果并不明顯。
圖3 放電電流的變化Fig.3 Change of discharge current
圖4 放電電流振蕩情況Fig.4 Oscillations of discharge current
3 供氣周向不均勻?qū)ν屏ζ餍阅苡绊?/h2>
2.1節(jié)提到,由于出氣周向不均勻?qū)е陆枠O區(qū)電子局部運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),增加了到達(dá)陽極的電子電流,直接損失推力器效率,試驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。在對比工況(350 V、42.8 m L/min)下,3種出氣結(jié)構(gòu)下推力器性能對比如表1所示,其中均勻堵孔情況下的推力器性能只是略有下降,如效率下降了1%,而堵住一半出氣孔情況下,推力器效率下降了約15%。證明推力器出氣周向不均勻?qū)ν屏ζ餍阅苡兄匾绊?。局部電離以及周向等離子密度梯度能夠產(chǎn)生周向電場,與磁場耦合,產(chǎn)生的粒子漂移到達(dá)壁面和陽極,減小了電流利用率。不對稱工質(zhì)分布的累積效應(yīng)減小了效率,影響推力器性能。另外需要注意的是,漂移到達(dá)壁面的粒子增加了壁面熱負(fù)荷,導(dǎo)致放電通道壁面產(chǎn)生局部熱點(diǎn)。特別對于高比沖推力器來說,出氣周向不對稱分布同樣影響了高電壓下的流量選擇,限制了推力器功率水平的提高。
表1 350 V、42.8 m L/min下推力器的性能參數(shù)Table 1 Performance of the thruster at 350 V,42.8 m L/min
同時(shí),出氣周向不均勻?qū)ν屏ζ饔鹆鞯陌l(fā)散特性有很大影響。如圖5所示,橫坐標(biāo)為距離通道中心線的距離,縱坐標(biāo)為離子電流密度,可以清晰地看到,出氣周向不均勻情況下羽流具有更大的發(fā)散程度,同時(shí)集中堵住一半出氣孔的情況下,由于中性氣體分布的高度不對稱,累積的效果使離子電流密度分布的軸對稱性被破壞。
圖5 離子電流密度分布Fig.5 Ion current density distribution
4 結(jié)束語
通過堵塞氣體分配器出氣孔的方式來研究供氣周向不均勻程度對霍爾推力器放電特性及性能的影響,得到以下結(jié)論:
1)在中性氣體密度存在周向不均勻的條件下,電子運(yùn)動(dòng)局部增強(qiáng),增加了到達(dá)陽極的電子電流,放電電流增大,且集中堵孔出氣方式放電電流明顯大于其他兩種情況。
2)在出氣不均勻的情況下,推力器達(dá)到最優(yōu)性能需要更強(qiáng)的磁場。
3)由于近陽極區(qū)不均勻的中性氣體密度分布導(dǎo)致非均勻、部分電離等離子體的產(chǎn)生,增加了放電電流的振蕩。
4)出氣周向不對稱減小了推力器的效率和比沖,如集中堵孔方式導(dǎo)致推力器效率下降了約15%。
5)出氣周向不均勻?qū)е掠鹆骶哂懈蟮陌l(fā)散程度,不均勻程度較大的情況甚至得到不對稱的離子電流分布。
References)
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(編輯:范真真)
Effects of azimuthal non-uniformity of neutrals on the discharge characteristic and performance of Hall thruster
FAN Jinrui,DING Yongjie*,SUN Guoshun,YU Daren,WEI Liqiu
Plasma Propulsion Laboratory,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China
Researches show that the gas distributor of Hall thrusters with manufacture and installation error,or the vent holes plugged up by the sputtered particles would result in azimuthal non-uniformity of neutrals.The influences of the degree of azimuthal non-uniformity of neutrals on the discharge characteristic and performance of Hall thrusters were studied by plugging up the vent hole of gas distributor.Current characteristic,ion current density distribution and overall performance were obtained by experiments.Results show that azimuthal non-uniformity of neutrals results in higher discharge current with the maximum of increments of 25%,lower thruster efficiency,lower special impulse,and bigger oscillation.
Hall thrusters;gas distributor;azimuthal non-uniformity;discharge characteristic; plume
V439+.2
:A
10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0011
2015-11-18;
:2015-12-10;錄用日期:2015-12-30;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間
時(shí)間:2016-02-24 13:35:07
http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160224.1335.007.html
國家自然科學(xué)基金(51477035)
范金蕤(1986-),男,博士研究生,simao860109@126.com
*通訊作者:丁永杰(1979-),男,副教授,dingyongjie@hit.edu.cn,主要研究方向?yàn)榭臻g電推進(jìn)技術(shù)、霍爾推力器
范金蕤,丁永杰,孫國順,等.供氣周向不均勻?qū)魻柾屏ζ鞣烹娞匦约靶阅艿挠绊慬J].中國空間科學(xué)技術(shù),2016,36(1):58-62.FAN J R,DING Y J,SUN G S,et al.Effects of azimuthal non-uniformity of neutrals on the discharge characteristic and performance of Hall thruster[J].Chinese Space Science and Technology,2016,36(1):58-62(in Chinese).
http:∥zgkj.cast.cn
范金蕤,丁永杰,孫國順,于達(dá)仁,魏立秋
哈爾濱工業(yè)大學(xué)等離子體推進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱150001
供氣周向不均勻?qū)魻柾屏ζ鞣烹娞匦约靶阅艿挠绊?/p>
范金蕤,丁永杰*,孫國順,于達(dá)仁,魏立秋
哈爾濱工業(yè)大學(xué)等離子體推進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱150001
研究發(fā)現(xiàn),由于氣體分配器安裝及制造誤差,或者出氣孔被濺射產(chǎn)生的粒子阻塞容易導(dǎo)致霍爾推力器周向出氣不均勻。采用堵塞氣體分配器出氣孔的方式實(shí)現(xiàn)周向不均勻氣體分布來研究供氣周向不均勻程度對霍爾推力器放電特性及性能的影響,試驗(yàn)得到了不同情況下的電流特性、近場區(qū)離子電流密度分布以及整體性能參數(shù)。結(jié)果表明,出氣周向不均勻?qū)е路烹婋娏髟黾?增量最大可達(dá)25%以上,放電電流振蕩嚴(yán)重,同時(shí)減小了推力器的效率和比沖。
霍爾推力器;氣體分配器;周向不均勻;放電特性;羽流
霍爾推力器是目前國際上應(yīng)用最成熟、性能最優(yōu)的主流電推進(jìn)裝置之一,主要用于地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星的在軌位置保持、軌道轉(zhuǎn)移等任務(wù)和深空探測器的主推進(jìn)任務(wù)[1-4]。研究發(fā)現(xiàn)中性氣體流動(dòng)對霍爾推力器運(yùn)行和通道內(nèi)部物理過程有著重要影響[5-7]。一般來說,霍爾推力器中性氣體動(dòng)力學(xué)可以描述為與中性氣體密度分布相聯(lián)系的流動(dòng)特性,與等離子體密度和中性氣體停留時(shí)間直接相關(guān),對推力器的電離加速過程有著重要影響。為了加強(qiáng)電離,在使中性氣體停留時(shí)間最大的同時(shí),放電通道內(nèi)部的中性氣體分布一定要是周向和徑向均勻的,特別是要保證出氣的周向均勻性[7-9]。
氣體分配器出氣周向不均勻可能對霍爾推力器性能產(chǎn)生重要影響。在沒有通過原子間相互碰撞以及和壁面碰撞的充分混合作用前,會(huì)在近陽極區(qū)產(chǎn)生一個(gè)不均勻的氣體分布。由于電離貫穿整個(gè)通道,近陽極區(qū)氣體密度不均導(dǎo)致在主要電離區(qū)上游產(chǎn)生非均勻、部分電離等離子體[7,10]。在這個(gè)區(qū)域由于施加電磁場,電子已經(jīng)被磁化并開始沿著E×B(E為電場強(qiáng)度,B為磁場強(qiáng)度)漂移。電荷分離產(chǎn)生一個(gè)方位電場,造成指向陽極的E×B漂移,直接損失推力器效率。雖然靠近陽極電場相對較小,但是該處中性原子密度較高[11-12],導(dǎo)致電子指向陽極的運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。在中性氣體密度存在周向不均性的條件下,電子運(yùn)動(dòng)局部增強(qiáng),增加了到達(dá)陽極的電子電流,同時(shí)改變了局部的電勢分布。電子通過這種異常擴(kuò)散直接損失了推力器效率,還可能會(huì)破壞羽流的對稱性及對推力器的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[13]。出氣周向不均勻?qū)ν屏ζ鞯牧硪粋€(gè)主要影響是限制了高電壓下的流量選擇及推力器功率水平的提升,不均勻?qū)е碌木植侩婋x以及周向等離子密度梯度能夠產(chǎn)生周向電場,與磁場耦合,除了產(chǎn)生向陽極的霍爾漂移外,還會(huì)增加向壁面的粒子作用,累積的效果增加了壁面熱負(fù)荷,容易導(dǎo)致通道壁面出現(xiàn)局部熱點(diǎn)。尤其是高功率下,容易導(dǎo)致推力器發(fā)生熱失效。
在典型的霍爾推力器中,中性氣體的控制主要通過改變氣體分配器或通道結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),特別是氣體分配器的設(shè)計(jì)[7,14-15]。大部分氣體分配器噴氣方法依賴于多個(gè)小直徑孔,以實(shí)現(xiàn)徑向、軸向、反向等多種噴氣形式。理論上講,在相同的出氣面積下,出氣孔徑越小,通道內(nèi)的氣體分布越均勻,但是地面試驗(yàn)中壁面濺射及返流產(chǎn)生的粒子沉積在陽極,容易堵塞出氣孔,反而造成出氣不均勻。下面通過試驗(yàn)的方法研究供氣周向不均勻?qū)魻柾屏ζ鞣烹娞匦约靶阅艿挠绊憽?/p>
1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.1 試驗(yàn)方案
試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的出氣周向不均勻現(xiàn)象都是由于氣體分配器安裝及制造誤差,或者出氣孔被濺射粒子阻塞導(dǎo)致的。為了研究氣體分配器周向出氣不均勻?qū)ν屏ζ鞣烹娞匦约靶阅艿挠绊?這里采用人為堵孔的方式實(shí)現(xiàn)周向不均勻氣體分布。如圖1所示,氣體分配器為徑向出氣結(jié)構(gòu),采用焊接的方式得到兩種不均勻分布形態(tài),一是集中堵孔(堵住一半的出氣孔),二是均勻堵孔(每隔幾個(gè)孔堵一個(gè)),并與均勻出氣情況進(jìn)行比較。分別測量這3種情況下推力器的放電特性及性能,主要包括U-I特性、B-I特性、ma-I特性、振蕩特性等(U為放電電壓;I為放電電流;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;ma為中性氣體流量)。
圖1 氣體分配器結(jié)構(gòu)及堵孔方式Fig.1 Structure of gas distributor and blocking way
1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)
試驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)等離子體推進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室提供的模擬試驗(yàn)真空平臺中進(jìn)行,該平臺真空罐直徑為2 m、長為5 m,配有3個(gè)抽速為25 000 L/s的低溫泵抽氣,保證推力器正常工作時(shí)真空罐內(nèi)壓力維持在7×10-3Pa級別。供氣系統(tǒng)保證陽極流量在0～100 m L/min、陰極流量在0～10 mL/min范圍內(nèi)精確變化,精度可達(dá)0.1 m L/min。電源電壓可在0～1 000 V范圍內(nèi)變化,精度為0.1 V。推力器采用HEP-100試驗(yàn)樣機(jī),推力器固定在推力架上,推力采用三絲扭秤測量,利用推力與重力相平衡原理,將推力轉(zhuǎn)換為扭擺角,利用激光和標(biāo)尺將其轉(zhuǎn)換成光斑移動(dòng)距離,測量精度較高。同時(shí)外接8通道DL850型錄波儀對振蕩情況進(jìn)行測量,具有高速、高分辨率的特點(diǎn)。
用法拉第探針[16]對推力器羽流進(jìn)行診斷,如圖2所示,該探針由探針收集平面及圓筒形屏蔽殼組成,可以較為準(zhǔn)確地測出離子電流密度分布。探針收集平面為直徑6 mm圓面,試驗(yàn)中通以24 V負(fù)偏壓來排斥電子,這樣收集到的幾乎全是離子。同時(shí)如圖2(b)所示,探針線路中串聯(lián)一個(gè)RC濾波電路,用來排除100 k Hz以上的干擾。探針放在雙自由度平臺上,該平臺通過電腦驅(qū)動(dòng)的電機(jī)改變位置,可在過推力器軸線的水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),精度較高。
圖2 法拉第探針及其探針測量示意Fig.2 Faraday probe and its measuring circuit
2 供氣周向不均勻?qū)Ψ烹娞匦杂绊?/h2>
2.1 放電電流隨工況的變化
第1組試驗(yàn)保持磁場不變,固定陽極流量為42.8 m L/min,電壓在260～380 V之間變化,得到3種情況下的U-I特性如圖3(a)所示。可以看到,堵住一半孔的情況下,放電電流明顯大于其他兩種情況,且隨電壓急劇增大。一般來說,推力器放電電流與氣體流量近似成比例,固定流量不變,即使增加放電電壓,電流不會(huì)發(fā)生很大改變,試驗(yàn)說明出氣孔周向不均勻程度較大的情況下,推力器內(nèi)部的電子傳導(dǎo)過程發(fā)生了變化。第2組試驗(yàn)固定350 V電壓及磁場,流量在34～46 m L/min之間變化,得到了ma-I特性,如圖3(b)所示,3種情況電流均隨流量近似線性增長,同樣堵住一半出氣孔的情況下電流明顯大于其他兩種情況。電流的增加也驗(yàn)證了:出氣周向不均勻性增加了到達(dá)陽極的電子電流。
第3組試驗(yàn)在對比工況(350 V,42.8 mL/ min)下,只改變勵(lì)磁電流Ic,觀察放電電流的變化。如圖3(c)所示,在固定的磁場位型下,均勻出氣及均勻堵孔兩種情況下的放電電流對磁場強(qiáng)度不敏感,但是在周向出氣均勻性特別差的情況下,放電電流隨勵(lì)磁電流有明顯變化。隨著磁場強(qiáng)度的增加,電流是逐漸下降的,說明出氣不均勻的情況下,為了獲得最優(yōu)的性能,所需要的磁場強(qiáng)度更大。隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng),增加了近陽極區(qū)電子跨場運(yùn)動(dòng)的難度,電子電流有一定程度的下降。但是由于氣體周向不對稱導(dǎo)致的電子異常傳導(dǎo)路徑,電子很難被約束,因此隨著磁場強(qiáng)度的增加電流下降的并不明顯。
2.2 放電電流振蕩特性
通過DL850型錄波儀采集放電電流,在對比工況(350 V,42.8 m L/min)下,得到3種出氣方式的電流振蕩曲線如圖4所示,其中橫坐標(biāo)為采集時(shí)間t。首先可以明顯看到氣體周向不均勻分布對放電穩(wěn)定性有很大影響,其中第2種出氣方式放電電流振蕩幅度最大,且存在不規(guī)律的大的電流振蕩。為了更好地比較,這里采用陽極電流振蕩峰峰值來描述,均勻出氣、均勻堵孔、堵住一半情況下峰峰值分別為1.0 A、1.7 A、5.45 A。且振蕩幅度隨電壓和陽極流量的增加而增加。另外在存在出氣周向不對稱的情況下,增加磁場強(qiáng)度雖然在一定程度上減小了電流振蕩,但是和2.1節(jié)的分析一樣,效果并不明顯。
圖3 放電電流的變化Fig.3 Change of discharge current
圖4 放電電流振蕩情況Fig.4 Oscillations of discharge current
3 供氣周向不均勻?qū)ν屏ζ餍阅苡绊?/h2>
2.1節(jié)提到,由于出氣周向不均勻?qū)е陆枠O區(qū)電子局部運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),增加了到達(dá)陽極的電子電流,直接損失推力器效率,試驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。在對比工況(350 V、42.8 m L/min)下,3種出氣結(jié)構(gòu)下推力器性能對比如表1所示,其中均勻堵孔情況下的推力器性能只是略有下降,如效率下降了1%,而堵住一半出氣孔情況下,推力器效率下降了約15%。證明推力器出氣周向不均勻?qū)ν屏ζ餍阅苡兄匾绊?。局部電離以及周向等離子密度梯度能夠產(chǎn)生周向電場,與磁場耦合,產(chǎn)生的粒子漂移到達(dá)壁面和陽極,減小了電流利用率。不對稱工質(zhì)分布的累積效應(yīng)減小了效率,影響推力器性能。另外需要注意的是,漂移到達(dá)壁面的粒子增加了壁面熱負(fù)荷,導(dǎo)致放電通道壁面產(chǎn)生局部熱點(diǎn)。特別對于高比沖推力器來說,出氣周向不對稱分布同樣影響了高電壓下的流量選擇,限制了推力器功率水平的提高。
表1 350 V、42.8 m L/min下推力器的性能參數(shù)Table 1 Performance of the thruster at 350 V,42.8 m L/min
同時(shí),出氣周向不均勻?qū)ν屏ζ饔鹆鞯陌l(fā)散特性有很大影響。如圖5所示,橫坐標(biāo)為距離通道中心線的距離,縱坐標(biāo)為離子電流密度,可以清晰地看到,出氣周向不均勻情況下羽流具有更大的發(fā)散程度,同時(shí)集中堵住一半出氣孔的情況下,由于中性氣體分布的高度不對稱,累積的效果使離子電流密度分布的軸對稱性被破壞。
圖5 離子電流密度分布Fig.5 Ion current density distribution
4 結(jié)束語
通過堵塞氣體分配器出氣孔的方式來研究供氣周向不均勻程度對霍爾推力器放電特性及性能的影響,得到以下結(jié)論:
1)在中性氣體密度存在周向不均勻的條件下,電子運(yùn)動(dòng)局部增強(qiáng),增加了到達(dá)陽極的電子電流,放電電流增大,且集中堵孔出氣方式放電電流明顯大于其他兩種情況。
2)在出氣不均勻的情況下,推力器達(dá)到最優(yōu)性能需要更強(qiáng)的磁場。
3)由于近陽極區(qū)不均勻的中性氣體密度分布導(dǎo)致非均勻、部分電離等離子體的產(chǎn)生,增加了放電電流的振蕩。
4)出氣周向不對稱減小了推力器的效率和比沖,如集中堵孔方式導(dǎo)致推力器效率下降了約15%。
5)出氣周向不均勻?qū)е掠鹆骶哂懈蟮陌l(fā)散程度,不均勻程度較大的情況甚至得到不對稱的離子電流分布。
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(編輯:范真真)
Effects of azimuthal non-uniformity of neutrals on the discharge characteristic and performance of Hall thruster
FAN Jinrui,DING Yongjie*,SUN Guoshun,YU Daren,WEI Liqiu
Plasma Propulsion Laboratory,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China
Researches show that the gas distributor of Hall thrusters with manufacture and installation error,or the vent holes plugged up by the sputtered particles would result in azimuthal non-uniformity of neutrals.The influences of the degree of azimuthal non-uniformity of neutrals on the discharge characteristic and performance of Hall thrusters were studied by plugging up the vent hole of gas distributor.Current characteristic,ion current density distribution and overall performance were obtained by experiments.Results show that azimuthal non-uniformity of neutrals results in higher discharge current with the maximum of increments of 25%,lower thruster efficiency,lower special impulse,and bigger oscillation.
Hall thrusters;gas distributor;azimuthal non-uniformity;discharge characteristic; plume
V439+.2
:A
10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0011
2015-11-18;
:2015-12-10;錄用日期:2015-12-30;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間
時(shí)間:2016-02-24 13:35:07
http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160224.1335.007.html
國家自然科學(xué)基金(51477035)
范金蕤(1986-),男,博士研究生,simao860109@126.com
*通訊作者:丁永杰(1979-),男,副教授,dingyongjie@hit.edu.cn,主要研究方向?yàn)榭臻g電推進(jìn)技術(shù)、霍爾推力器
范金蕤,丁永杰,孫國順,等.供氣周向不均勻?qū)魻柾屏ζ鞣烹娞匦约靶阅艿挠绊慬J].中國空間科學(xué)技術(shù),2016,36(1):58-62.FAN J R,DING Y J,SUN G S,et al.Effects of azimuthal non-uniformity of neutrals on the discharge characteristic and performance of Hall thruster[J].Chinese Space Science and Technology,2016,36(1):58-62(in Chinese).
http:∥zgkj.cast.cn
