供气周向不均匀对霍尔推力器放电特性及性能的影响

范金蕤,丁永杰,孙国顺,于达仁,魏立秋

哈尔滨工业大学等离子体推进技术实验室,哈尔滨150001

供气周向不均匀对霍尔推力器放电特性及性能的影响

范金蕤,丁永杰*,孙国顺,于达仁,魏立秋

哈尔滨工业大学等离子体推进技术实验室,哈尔滨150001

研究发现,由于气体分配器安装及制造误差,或者出气孔被溅射产生的粒子阻塞容易导致霍尔推力器周向出气不均匀。采用堵塞气体分配器出气孔的方式实现周向不均匀气体分布来研究供气周向不均匀程度对霍尔推力器放电特性及性能的影响,试验得到了不同情况下的电流特性、近场区离子电流密度分布以及整体性能参数。结果表明,出气周向不均匀导致放电电流增加,增量最大可达25%以上,放电电流振荡严重,同时减小了推力器的效率和比冲。

霍尔推力器;气体分配器;周向不均匀;放电特性;羽流

霍尔推力器是目前国际上应用最成熟、性能最优的主流电推进装置之一,主要用于地球同步轨道(GEO)卫星的在轨位置保持、轨道转移等任务和深空探测器的主推进任务[1-4]。研究发现中性气体流动对霍尔推力器运行和通道内部物理过程有着重要影响[5-7]。一般来说,霍尔推力器中性气体动力学可以描述为与中性气体密度分布相联系的流动特性,与等离子体密度和中性气体停留时间直接相关,对推力器的电离加速过程有着重要影响。为了加强电离,在使中性气体停留时间最大的同时,放电通道内部的中性气体分布一定要是周向和径向均匀的,特别是要保证出气的周向均匀性[7-9]。

气体分配器出气周向不均匀可能对霍尔推力器性能产生重要影响。在没有通过原子间相互碰撞以及和壁面碰撞的充分混合作用前,会在近阳极区产生一个不均匀的气体分布。由于电离贯穿整个通道,近阳极区气体密度不均导致在主要电离区上游产生非均匀、部分电离等离子体[7,10]。在这个区域由于施加电磁场,电子已经被磁化并开始沿着E×B(E为电场强度,B为磁场强度)漂移。电荷分离产生一个方位电场,造成指向阳极的E×B漂移,直接损失推力器效率。虽然靠近阳极电场相对较小,但是该处中性原子密度较高[11-12],导致电子指向阳极的运动增强。在中性气体密度存在周向不均性的条件下,电子运动局部增强,增加了到达阳极的电子电流,同时改变了局部的电势分布。电子通过这种异常扩散直接损失了推力器效率,还可能会破坏羽流的对称性及对推力器的稳定性产生影响[13]。出气周向不均匀对推力器的另一个主要影响是限制了高电压下的流量选择及推力器功率水平的提升,不均匀导致的局部电离以及周向等离子密度梯度能够产生周向电场,与磁场耦合,除了产生向阳极的霍尔漂移外,还会增加向壁面的粒子作用,累积的效果增加了壁面热负荷,容易导致通道壁面出现局部热点。尤其是高功率下,容易导致推力器发生热失效。

在典型的霍尔推力器中,中性气体的控制主要通过改变气体分配器或通道结构来实现,特别是气体分配器的设计[7,14-15]。大部分气体分配器喷气方法依赖于多个小直径孔,以实现径向、轴向、反向等多种喷气形式。理论上讲,在相同的出气面积下,出气孔径越小,通道内的气体分布越均匀,但是地面试验中壁面溅射及返流产生的粒子沉积在阳极,容易堵塞出气孔,反而造成出气不均匀。下面通过试验的方法研究供气周向不均匀对霍尔推力器放电特性及性能的影响。

1 试验装置和试验设计

1.1 试验方案

试验中发现的出气周向不均匀现象都是由于气体分配器安装及制造误差,或者出气孔被溅射粒子阻塞导致的。为了研究气体分配器周向出气不均匀对推力器放电特性及性能的影响,这里采用人为堵孔的方式实现周向不均匀气体分布。如图1所示,气体分配器为径向出气结构,采用焊接的方式得到两种不均匀分布形态,一是集中堵孔(堵住一半的出气孔),二是均匀堵孔(每隔几个孔堵一个),并与均匀出气情况进行比较。分别测量这3种情况下推力器的放电特性及性能,主要包括U-I特性、B-I特性、ma-I特性、振荡特性等(U为放电电压;I为放电电流;B为磁感应强度;ma为中性气体流量)。

图1 气体分配器结构及堵孔方式Fig.1 Structure of gas distributor and blocking way

1.2 试验系统

试验在哈尔滨工业大学等离子体推进技术实验室提供的模拟试验真空平台中进行,该平台真空罐直径为2 m、长为5 m,配有3个抽速为25 000 L/s的低温泵抽气,保证推力器正常工作时真空罐内压力维持在7×10-3Pa级别。供气系统保证阳极流量在0～100 m L/min、阴极流量在0～10 mL/min范围内精确变化,精度可达0.1 m L/min。电源电压可在0～1 000 V范围内变化,精度为0.1 V。推力器采用HEP-100试验样机,推力器固定在推力架上,推力采用三丝扭秤测量,利用推力与重力相平衡原理,将推力转换为扭摆角,利用激光和标尺将其转换成光斑移动距离,测量精度较高。同时外接8通道DL850型录波仪对振荡情况进行测量,具有高速、高分辨率的特点。

用法拉第探针[16]对推力器羽流进行诊断,如图2所示,该探针由探针收集平面及圆筒形屏蔽壳组成,可以较为准确地测出离子电流密度分布。探针收集平面为直径6 mm圆面,试验中通以24 V负偏压来排斥电子,这样收集到的几乎全是离子。同时如图2(b)所示,探针线路中串联一个RC滤波电路,用来排除100 k Hz以上的干扰。探针放在双自由度平台上,该平台通过电脑驱动的电机改变位置,可在过推力器轴线的水平面内运动,精度较高。

图2 法拉第探针及其探针测量示意Fig.2 Faraday probe and its measuring circuit

2 供气周向不均匀对放电特性影响

2.1 放电电流随工况的变化

第1组试验保持磁场不变,固定阳极流量为42.8 m L/min,电压在260～380 V之间变化,得到3种情况下的U-I特性如图3(a)所示。可以看到,堵住一半孔的情况下,放电电流明显大于其他两种情况,且随电压急剧增大。一般来说,推力器放电电流与气体流量近似成比例,固定流量不变,即使增加放电电压,电流不会发生很大改变,试验说明出气孔周向不均匀程度较大的情况下,推力器内部的电子传导过程发生了变化。第2组试验固定350 V电压及磁场,流量在34～46 m L/min之间变化,得到了ma-I特性,如图3(b)所示,3种情况电流均随流量近似线性增长,同样堵住一半出气孔的情况下电流明显大于其他两种情况。电流的增加也验证了:出气周向不均匀性增加了到达阳极的电子电流。

第3组试验在对比工况(350 V,42.8 mL/ min)下,只改变励磁电流Ic,观察放电电流的变化。如图3(c)所示,在固定的磁场位型下,均匀出气及均匀堵孔两种情况下的放电电流对磁场强度不敏感,但是在周向出气均匀性特别差的情况下,放电电流随励磁电流有明显变化。随着磁场强度的增加,电流是逐渐下降的,说明出气不均匀的情况下,为了获得最优的性能,所需要的磁场强度更大。随着磁场强度的增强,增加了近阳极区电子跨场运动的难度,电子电流有一定程度的下降。但是由于气体周向不对称导致的电子异常传导路径,电子很难被约束,因此随着磁场强度的增加电流下降的并不明显。

2.2 放电电流振荡特性

通过DL850型录波仪采集放电电流,在对比工况(350 V,42.8 m L/min)下,得到3种出气方式的电流振荡曲线如图4所示,其中横坐标为采集时间t。首先可以明显看到气体周向不均匀分布对放电稳定性有很大影响,其中第2种出气方式放电电流振荡幅度最大,且存在不规律的大的电流振荡。为了更好地比较,这里采用阳极电流振荡峰峰值来描述,均匀出气、均匀堵孔、堵住一半情况下峰峰值分别为1.0 A、1.7 A、5.45 A。且振荡幅度随电压和阳极流量的增加而增加。另外在存在出气周向不对称的情况下,增加磁场强度虽然在一定程度上减小了电流振荡,但是和2.1节的分析一样,效果并不明显。

图3 放电电流的变化Fig.3 Change of discharge current

图4 放电电流振荡情况Fig.4 Oscillations of discharge current

3 供气周向不均匀对推力器性能影响

2.1节提到,由于出气周向不均匀导致近阳极区电子局部运动增强,增加了到达阳极的电子电流,直接损失推力器效率,试验也验证了这一点。在对比工况(350 V、42.8 m L/min)下,3种出气结构下推力器性能对比如表1所示,其中均匀堵孔情况下的推力器性能只是略有下降,如效率下降了1%,而堵住一半出气孔情况下,推力器效率下降了约15%。证明推力器出气周向不均匀对推力器性能有着重要影响。局部电离以及周向等离子密度梯度能够产生周向电场,与磁场耦合,产生的粒子漂移到达壁面和阳极,减小了电流利用率。不对称工质分布的累积效应减小了效率,影响推力器性能。另外需要注意的是,漂移到达壁面的粒子增加了壁面热负荷,导致放电通道壁面产生局部热点。特别对于高比冲推力器来说,出气周向不对称分布同样影响了高电压下的流量选择,限制了推力器功率水平的提高。

表1 350 V、42.8 m L/min下推力器的性能参数Table 1 Performance of the thruster at 350 V,42.8 m L/min

同时,出气周向不均匀对推力器羽流的发散特性有很大影响。如图5所示,横坐标为距离通道中心线的距离,纵坐标为离子电流密度,可以清晰地看到,出气周向不均匀情况下羽流具有更大的发散程度,同时集中堵住一半出气孔的情况下,由于中性气体分布的高度不对称,累积的效果使离子电流密度分布的轴对称性被破坏。

图5 离子电流密度分布Fig.5 Ion current density distribution

4 结束语

通过堵塞气体分配器出气孔的方式来研究供气周向不均匀程度对霍尔推力器放电特性及性能的影响,得到以下结论:

1)在中性气体密度存在周向不均匀的条件下,电子运动局部增强,增加了到达阳极的电子电流,放电电流增大,且集中堵孔出气方式放电电流明显大于其他两种情况。

2)在出气不均匀的情况下,推力器达到最优性能需要更强的磁场。

3)由于近阳极区不均匀的中性气体密度分布导致非均匀、部分电离等离子体的产生,增加了放电电流的振荡。

4)出气周向不对称减小了推力器的效率和比冲,如集中堵孔方式导致推力器效率下降了约15%。

5)出气周向不均匀导致羽流具有更大的发散程度,不均匀程度较大的情况甚至得到不对称的离子电流分布。

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(编辑: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;录用日期:2015-12-30;< class="emphasis_bold">网络出版时间

时间:2016-02-24 13:35:07

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160224.1335.007.html

国家自然科学基金(51477035)

范金蕤(1986-),男,博士研究生,simao860109@126.com

*通讯作者:丁永杰(1979-),男,副教授,dingyongjie@hit.edu.cn,主要研究方向为空间电推进技术、霍尔推力器

范金蕤,丁永杰,孙国顺,等.供气周向不均匀对霍尔推力器放电特性及性能的影响[J].中国空间科学技术,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