高比沖霍爾推力器啟動(dòng)特性研究

陳杰，康小錄,*，趙震，程佳兵，梁偉

1. 上?？臻g推進(jìn)研究所，上海 201112 2. 上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112

1972年，世界上首個(gè)在軌應(yīng)用的霍爾推力器，搭載在流星號(hào)衛(wèi)星上由蘇聯(lián)成功發(fā)射[1]?；魻柾屏ζ鲬{借其可靠性高、推力密度高、推力功率比大及綜合性能好等優(yōu)勢(shì)，在航天器南北位保、大氣阻力補(bǔ)償及軌道轉(zhuǎn)移等任務(wù)中得到了廣泛的應(yīng)用[2-3]。截至2019年8月，已有723臺(tái)霍爾推力器在超過12種GEO平臺(tái)、208個(gè)航天器上成功應(yīng)用，在軌飛行成功率100%。

霍爾推力器在工作過程中，放電參數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。由于推力器工作時(shí)陽(yáng)極電壓保持不變，放電電流的平均值變化可以反映推力器功率的變化，放電電流的振蕩特性可以反映推力器放電室內(nèi)等離子體的物理過程。影響推力器放電電流變化的因素主要有放電電壓、工質(zhì)流量、磁場(chǎng)位形和磁場(chǎng)強(qiáng)度。實(shí)際情況中，由于放電電壓和工質(zhì)流量固定，研究推力器磁場(chǎng)變化對(duì)放電電流的影響以及工作過程中放電電流隨時(shí)間的變化具有更重要的價(jià)值[4]。磁場(chǎng)對(duì)放電電流的影響在國(guó)內(nèi)外均有較多的研究，武志文、劉廣睿、鄂鵬等均通過試驗(yàn)驗(yàn)證了磁場(chǎng)強(qiáng)度太高或者太低推力器放電電流均會(huì)升高[5-7]。磁場(chǎng)位形對(duì)推力器性能影響的研究也較為完備，普遍認(rèn)為霍爾推力器放電室出口處磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，且存在能夠約束電子減少電子與壁面作用的磁鏡結(jié)構(gòu)[8-9]。

霍爾推力器工作時(shí)頻率在1～100 kHz的低頻振蕩幅值較大，會(huì)對(duì)推力器穩(wěn)定工作和電源系統(tǒng)造成影響[10-12]。研究推力器工作過程中放電振蕩特性對(duì)推力器性能的影響，有利于進(jìn)一步理解推力器工作機(jī)理并對(duì)推力器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文通過HET-80HP高比沖霍爾推力器的點(diǎn)火試驗(yàn)，考察推力器性能參數(shù)的變化，并將該推力器與傳統(tǒng)霍爾推力器的性能進(jìn)行對(duì)比。此外，研究放電電流平均值隨時(shí)間的變化過程，以及放電電流低頻振蕩與推力器性能的關(guān)系。

1 試驗(yàn)設(shè)備

HET-80HP霍爾推力器，是上?？臻g推進(jìn)研究所研制的一款中等功率高比沖霍爾推力器。在500 V額定工況下，比沖為2 100 s左右，推力約65 mN。在大推力工況(300 V)下，比沖約1 600 s，推力可達(dá)80 mN左右。

試驗(yàn)所用VF-4真空艙是上?？臻g推進(jìn)研究所現(xiàn)有的兩個(gè)大型真空設(shè)備之一。具有中小功率霍爾推力器高低溫試驗(yàn)和長(zhǎng)壽命試驗(yàn)?zāi)芰ΑＵ婵张撝睆?.5 m，長(zhǎng)度6 m，氙氣抽氣速率達(dá)1.26×105L/s，極限真空度可達(dá)2×10-5Pa。

由于霍爾推力器的推力一般為毫牛量級(jí)，推力的精準(zhǔn)測(cè)量也是霍爾推力器性能研究的重要組成部分。試驗(yàn)所用推力測(cè)量設(shè)備能夠安裝質(zhì)量不超過12 kg的霍爾推力器，推力測(cè)量范圍為5～1 000 mN，分辨率為0.1 mN，測(cè)量綜合誤差為±2%。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 性能試驗(yàn)

(1) 性能包絡(luò)

霍爾推力器性能包絡(luò)試驗(yàn)是研究推力器推力、比沖等參數(shù)隨推力器放電電壓、工質(zhì)流量等參數(shù)的變化，對(duì)霍爾推力器的研究及參數(shù)對(duì)比具有重要的意義。針對(duì)HET-80HP霍爾推力器開展了性能包絡(luò)測(cè)量試驗(yàn)，主要研究了HET-80HP霍爾推力器的推力和比沖隨放電電壓和陽(yáng)極流量的變化。為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確可靠，試驗(yàn)均在推力器點(diǎn)火20 min后(熱啟動(dòng))，推力器放電電流等參數(shù)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定時(shí)開始測(cè)量。性能試驗(yàn)中所用磁場(chǎng)位形相同，不同電壓下磁場(chǎng)強(qiáng)度不同。

圖1所示為推力器推力隨放電電壓和陽(yáng)極流量的變化，在測(cè)量范圍內(nèi)，推力隨陽(yáng)極電壓和陽(yáng)極流量增加而增加。測(cè)量推力在19～116 mN之間變化，隨著陽(yáng)極流量增加推力隨電壓變化的斜率逐漸增大，而不同電壓下推力隨陽(yáng)極流量變化的斜率變化不大。

圖2所示為HET-80HP霍爾推力器陽(yáng)極比沖隨放電電壓和陽(yáng)極流量的變化，比沖在987～2 624 s之間。由于霍爾推力器中噴出的離子的動(dòng)能主要由加速區(qū)的電場(chǎng)對(duì)離子加速產(chǎn)生，推力器陽(yáng)極電壓的變化能夠改變加速區(qū)電勢(shì)差，對(duì)提高霍爾推力器比沖有直接的作用。在試驗(yàn)設(shè)定的電壓和流量范圍內(nèi)，每提高100 V電壓比沖提高約270～ 400 s。提高推力器流量能夠增加推力器放電室內(nèi)粒子密度，對(duì)提高推力器效率和比沖也有一定作用。

圖1 HET-80HP霍爾推力器推力變化Fig.1 Thrust variation of HET-80HP hall thruster

圖2 HET-80HP霍爾推力器陽(yáng)極比沖變化Fig.2 Specific impulse variation of HET-80HP hall thruster

(2) 性能對(duì)比

為了分析HET-80HP高比沖霍爾推力器與傳統(tǒng)霍爾推力器在比沖上的差異，將該推力器分別與國(guó)內(nèi)和國(guó)外同尺寸的傳統(tǒng)霍爾推力器進(jìn)行比較。

圖3為HET-80HP霍爾推力器與國(guó)產(chǎn)HET-80M霍爾推力器(上?？臻g推進(jìn)研究所研制的300 V磁層霍爾推力器，額定工況下陽(yáng)極比沖約為1 690 s)在放電電壓分別為300 V和500 V時(shí)，比沖隨陽(yáng)極流量變化情況的對(duì)比。放電電壓為300 V時(shí)，HET-80HP霍爾推力器在陽(yáng)極流量大于30 mL/min時(shí)，才具有更高的比沖。放電電壓為500 V時(shí)，陽(yáng)極流量大于22 mL/min就能體現(xiàn)出HET-80HP霍爾推力器的比沖優(yōu)勢(shì)。

圖3 HET-80HP與HET-80M陽(yáng)極比沖對(duì)比Fig.3 Comparison of specific impulse between HET-80HP and HET-80M

圖4 HET-80HP與SPT-100陽(yáng)極比沖對(duì)比Fig.4 Comparison of specific impulse between HET-80HP and SPT-100

圖4為HET-80HP高比沖霍爾推力器與俄羅斯SPT-100傳統(tǒng)磁層霍爾推力器在放電電壓分別為200 V和300 V時(shí)，比沖隨陽(yáng)極流量變化情況的對(duì)比[13]。放電電壓為200 V時(shí)，HET-80HP與SPT-100在陽(yáng)極流量小于50 mL/min時(shí)，陽(yáng)極比沖相近。陽(yáng)極流量大于50 mL/min時(shí)，HET-80HP具有更高的比沖。放電電壓為300 V時(shí)，在實(shí)驗(yàn)流量范圍內(nèi)HET-80HP相對(duì)于SPT-100具有更高的比沖。

通過以上分析結(jié)果可知,相對(duì)于傳統(tǒng)霍爾推力器，HET-80HP高比沖霍爾推力器在較大陽(yáng)極流量和較高放電電壓時(shí)，比沖均得到了明顯提高。

2.2 不同磁場(chǎng)情況下推力器電流隨時(shí)間的變化

霍爾推力器在不同磁場(chǎng)情況下，由于磁場(chǎng)位形和磁場(chǎng)大小的不同會(huì)對(duì)推力器的性能產(chǎn)生影響，從而使放電電流發(fā)生變化。試驗(yàn)首先研究了正常磁場(chǎng)情況下放電電流隨工作時(shí)間的變化，然后研究了外磁極磁場(chǎng)不均勻時(shí)推力器放電電流隨時(shí)間的變化。

(1)正常磁場(chǎng)情況

圖5為正常磁場(chǎng)冷啟動(dòng)情況下，放電電壓300 V陽(yáng)極流量50.8 mL/min時(shí)，推力器放電電流隨時(shí)間變化過程。在推力器工作前10 min，推力器放電電流逐漸增加。推力器工作20 min后，放電電流逐漸減小，約70 min時(shí)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。

圖5 冷啟動(dòng)放電電流隨時(shí)間變化Fig.5 Discharge current change with time when cold start

圖6為正常磁場(chǎng)熱啟動(dòng)時(shí)不同內(nèi)外磁電流比情況下，推力器放電電流隨時(shí)間的變化。在內(nèi)外磁電流比較大時(shí)，存在電流尖峰(電流均呈先增加后減小的趨勢(shì))。由于推力器的初始溫度不同，不同內(nèi)外磁電流比尖峰出現(xiàn)的時(shí)間有所差異。但是，電流變化范圍均小于0.2 A并且工作20 min左右放電電流均趨于穩(wěn)定。當(dāng)內(nèi)外磁電流比小于或等于0.7時(shí)，電流在增長(zhǎng)一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定，且不存在電流尖峰。

圖6 熱啟動(dòng)放電電流隨時(shí)間變化Fig.6 Discharge current change with time when hot start

(2)異常磁場(chǎng)情況

圖7 磁場(chǎng)異常情況放電電流隨時(shí)間變化Fig.7 Discharge current change with time when magnetic is abnormal

試驗(yàn)中研究了推力器磁場(chǎng)異常情況下推力器的穩(wěn)定工作特性。磁場(chǎng)異常情況下，推力器外極板對(duì)角磁感應(yīng)強(qiáng)度一致。通過高斯計(jì)測(cè)量，相鄰磁柱頂點(diǎn)處磁場(chǎng)強(qiáng)度相差約0.002 T。試驗(yàn)中驗(yàn)證了推力器在放電電壓300 V、陽(yáng)極流量49.4 mL/min時(shí)，推力器冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)情況下放電電流隨時(shí)間的變化。圖7分別為冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)兩種不同情況。相比于正常磁場(chǎng)情況，異常磁場(chǎng)情況冷啟動(dòng)時(shí)推力器放電電流達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間更短。異常磁場(chǎng)情況熱啟動(dòng)時(shí)，放電電流達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間與正常情況一致，電流值的變化大于正常情況。此外，試驗(yàn)中異常磁場(chǎng)情況下，不同內(nèi)外磁電流比均存在電流尖峰。

2.3 低頻振蕩與比沖的關(guān)系

霍爾推力器在工作時(shí)的原子電離過程，電子周向漂移運(yùn)動(dòng)等，都伴隨著許多振蕩現(xiàn)象。振蕩的頻率分布從千赫茲到吉赫茲，對(duì)霍爾推力器影響較大的是1～100 kHz的低頻振蕩[14]。其中，10～20 kHz的呼吸效應(yīng)研究相對(duì)完善，呼吸效應(yīng)振蕩頻率的簡(jiǎn)單表達(dá)式為[15]：

(1)

式中：F為呼吸效應(yīng)振蕩頻率；vi為離子速度；va為中性原子速度；L為加速區(qū)長(zhǎng)度。

忽略推力器放電室內(nèi)原子速度的差異，呼吸效應(yīng)的頻率主要取決于加速區(qū)的長(zhǎng)度和離子速度。當(dāng)加速區(qū)長(zhǎng)度保持穩(wěn)定時(shí)，通過振蕩頻率的高低能夠判斷離子速度的大小。假設(shè)離子運(yùn)動(dòng)速度只有軸向分量且加速區(qū)長(zhǎng)度保持不變，那么推力器的比沖可以近似表示為：

(2)

式中：Isp為比沖；g為重力加速度。

從式(2)可以看出，在加速區(qū)長(zhǎng)度和原子速度保持不變的情況下，呼吸效應(yīng)的振蕩頻率越高推力器的比沖越高。由于推力器放電過程中加速區(qū)不規(guī)則、原子速度差異和離子運(yùn)動(dòng)方向的偏差，導(dǎo)致放電電流低頻振蕩頻譜不是單峰。需要對(duì)振蕩頻率進(jìn)行加權(quán)平均，從而得到低頻振蕩平均頻率與比沖的關(guān)系?？紤]到頻譜分析的幅值與對(duì)應(yīng)頻率振蕩強(qiáng)弱有關(guān)，引入平均頻率作為推力器低頻振蕩頻率高低的判據(jù)。平均頻率的計(jì)算方式可以簡(jiǎn)單表示為：

(3)

(1)僅改變磁場(chǎng)情況下低頻振蕩與比沖的關(guān)系

為了驗(yàn)證低頻振蕩頻率與推力器比沖的關(guān)系，在放電電壓為300 V、陽(yáng)極流量49.4 mL/min工況下，改變內(nèi)磁電流和外磁電流的比值(即內(nèi)外磁電流比)，研究低頻振蕩平均頻率與陽(yáng)極比沖的關(guān)系。

圖8給出了平均頻率和陽(yáng)極比沖隨內(nèi)外磁電流比的變化。兩者均在內(nèi)外磁電流比為0.8時(shí)達(dá)到最大值，對(duì)應(yīng)的比沖和頻率分別為1 680 s和17.43 kHz。內(nèi)外磁電流比小于0.8時(shí)，平均頻率和陽(yáng)極比沖均隨內(nèi)外磁電流比增加逐漸增大。內(nèi)外磁電流比大于0.8時(shí)，平均頻率和陽(yáng)極比沖均隨內(nèi)外磁電流比增加逐漸減小。

圖8 低頻振蕩平均頻率與陽(yáng)極比沖的關(guān)系Fig.8 Relationship between the average frequency of low-frequency oscillations and anode specific impulse

(2) 400 V不同振蕩模式分析

1)低振蕩模式。圖9所示為放電電壓400 V陽(yáng)極流量31.4 mL/min時(shí)，推力器低振蕩工作模式羽流形狀及振蕩分析。該工況下推力器放電電流為2.81 A，放電電流振蕩峰峰值為770 mA，推力51.8 mN，比沖1 717.6 s。放電電流振蕩最大幅度值為0.011 5 A,平均頻率為13.64 kHz。低振蕩模式下，羽流方向較為分散，放電電流低頻振蕩頻譜分布較為分散。

2)高振蕩模式。圖10所示為放電電壓400 V陽(yáng)極流量31.4 mL/min時(shí)， HET-80HP的羽流形狀及放電電流振蕩頻譜分析結(jié)果。該模式下，放電電流為2.70 A，放電電流振蕩峰峰值為3.01 A，推力54.9 mN，比沖1 820.4 s。放電電流振蕩最大幅度值為0.214 1 A,平均頻率為14.89 kHz。高振蕩模式下，羽流較為集中，放電電流振蕩頻率分布比較集中，推力器內(nèi)部的振蕩模式單一。

圖9 400 V低振蕩模式Fig.9 Low oscillation mode when operation at 400 V

圖10 400 V高振蕩模式Fig.10 High oscillation mode when operation at 400 V

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)HET-80HP高比沖霍爾推力器開展了點(diǎn)火試驗(yàn)研究，分析了該推力器的性能并與HET-80M和SPT-100進(jìn)行了對(duì)比。此外，研究了該推力器放電電流平均值隨時(shí)間的變化和放電電流低頻振蕩的特點(diǎn)。得出的主要結(jié)論如下：

1)試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，推力器比沖與放電電壓和流量均正相關(guān)，試驗(yàn)測(cè)量最高比沖達(dá)2 624 s。將HET-80HP與HET-80M和SPT-100進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)HET-80HP在大流量和高電壓情況下，推力器的比沖均有明顯提高。

2)正常磁場(chǎng)冷啟動(dòng)情況下，推力器放電電流達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定大約需要70 min。在推力器設(shè)定的工作參數(shù)范圍內(nèi)電流尖峰是否存在，主要取決于推力器磁場(chǎng)位形。異常磁場(chǎng)冷啟動(dòng)時(shí)，電流單調(diào)遞減且相對(duì)正常磁場(chǎng)能夠更快達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。試驗(yàn)中異常磁場(chǎng)情況下，均存在電流尖峰，可能是異常磁場(chǎng)情況下外場(chǎng)較弱導(dǎo)致的。

3)僅改變磁場(chǎng)情況下，陽(yáng)極比沖與低頻振蕩的平均頻率隨內(nèi)外磁電流比的變化趨勢(shì)基本一致。對(duì)于推力變化較小或者推力測(cè)量不方便的情況，平均頻率可以作為判斷推力器比沖高低的參考因素。

4)推力器放電電壓為400 V時(shí)，具有低振蕩和高振蕩兩種工作模式。低振蕩模式下，電流峰峰值較低，放電電流振蕩頻率分布較分散平均頻率較低，離子速度差異較大導(dǎo)致推力器比沖相對(duì)較低。高振蕩模式下，電流峰峰值較高，推力器電流振蕩頻率分布較為集中平均頻率較高，離子速度差異較小推力器比沖相對(duì)較高。