螺旋波電推進(jìn)羽流電磁矢量控制的原理性驗(yàn)證

丁亮，鄭慧奇，彭毓川，任瓊英，趙華

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094

電推進(jìn)是一種將電能轉(zhuǎn)化為粒子動(dòng)能的推力器。近年來，多種電推進(jìn)基于自身的特點(diǎn)取得了較大的發(fā)展[1]。磁場(chǎng)在多種電推進(jìn)器中作為約束電子和增加電離率的有效手段[2]。粒子束噴射方向的改變?cè)诤教炱麟娡七M(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的作用。推力方向的改變對(duì)于燃料的消耗、軌道維持等都十分關(guān)鍵[3]。研究表明，在霍爾推進(jìn)器中，通過改變磁場(chǎng)位型能夠使得粒子束發(fā)生10°～15°的偏轉(zhuǎn)[4]。螺旋波電推進(jìn)作為一種新的電推進(jìn)技術(shù)受到越來越多的關(guān)注[5-10]，但是基于螺旋波電推進(jìn)羽流電磁矢量控制的研究目前還未得到充分分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。基于電磁控制的手段，利用帶電粒子受磁場(chǎng)約束的特點(diǎn)，規(guī)避轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)器羽流的電磁矢量調(diào)節(jié)將有助于電推進(jìn)在航天器上的靈活應(yīng)用。

1 仿真設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)無活動(dòng)部件的矢量推進(jìn)，在電磁噴口設(shè)計(jì)上采取非同心輔助線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)控制等離子體中粒子的噴射方向。電磁矢量噴嘴技術(shù)可以有效減少航天器姿態(tài)軌道控制推進(jìn)器的數(shù)量，提高航天器推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性。

在仿真模型設(shè)計(jì)上，依次進(jìn)行單個(gè)矢量調(diào)節(jié)線圈改變安置位置和多個(gè)矢量線圈分別控制兩方面。

1.1 單個(gè)電磁矢量線圈調(diào)制

單個(gè)矢量調(diào)制線圈仿真模型中，主要分為主線圈和矢量調(diào)制線圈。具體參數(shù)如表1所示。

主線圈與矢量線圈距離為30 mm，如圖1所示；矢量線圈在軸向30°錐角內(nèi)可調(diào)，可調(diào)角度α的范圍 -30°～30°。

表1 電磁線圈參數(shù)

圖 1 主線圈與矢量線圈相對(duì)位置關(guān)系Fig.1 Related position of main coil and vector coil

具體仿真過程中，在主線圈和矢量線圈同時(shí)供電時(shí)，改變矢量調(diào)制線圈相對(duì)于主線圈的位置如圖2所示，驗(yàn)證磁場(chǎng)位形的改變。

圖 2 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布及磁力線分布Fig.2 Distribution of magnetic field

由單個(gè)電磁線圈改變相對(duì)于主線圈的位置角度，磁場(chǎng)位形將隨之發(fā)生改變，具體調(diào)制效果可由矢量線圈的相對(duì)電流強(qiáng)度控制。該仿真結(jié)果與Wes Cox的3D模型結(jié)果是一致的，如圖3所示。

圖 3 國外磁場(chǎng)位形調(diào)制結(jié)果Fig.3 Reshaping result of magnetic field from Wex Cox

1.2 三維電磁矢量線圈調(diào)制

利用非同心圓線圈，構(gòu)建可偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，等離子的離子受磁場(chǎng)控制，從而發(fā)生運(yùn)動(dòng)軌跡偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)推力的矢量調(diào)控。電磁線圈可以在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)磁化等離子體噴射方向進(jìn)行測(cè)量。在軌實(shí)施矢量控制時(shí)，可通過指令方式改變3個(gè)非同心圓電磁線圈上的電流比例來完成所需調(diào)控方向。

具體仿真過程：矢量推進(jìn)控制的主要部件由3個(gè)非同心圓磁場(chǎng)線圈組成,如圖4所示，其位置關(guān)系如表2所示，每個(gè)線圈的匝數(shù)為N，而通過的電流分別是I1，I2和I3。通過調(diào)整3個(gè)線圈上電流的比例可以控制導(dǎo)向磁場(chǎng)方向。在以z軸為對(duì)稱軸的柱坐標(biāo)系中，電推進(jìn)噴焰中心點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線方向就是噴焰的方向，反方向就是推力的方向。

圖4 共軸矢量電磁噴口模型Fig.4 Model of magnetic nozzle with coaxial electromagnetic coils

表2 電磁矢量線圈位置關(guān)系表

電推進(jìn)噴焰方向可以在柱坐標(biāo)系中采用坐標(biāo)描述。θ是電推進(jìn)噴焰的經(jīng)度坐標(biāo)，φ是噴焰方向的緯度坐標(biāo)。噴焰方向與導(dǎo)向磁場(chǎng)平行。磁場(chǎng)方向取決于非同心圓磁場(chǎng)線圈上的電流比例(I1，I2，I3)。因而電推進(jìn)噴焰的方向調(diào)節(jié)通過控制線圈上的電流來實(shí)現(xiàn)。設(shè)定θ調(diào)節(jié)范圍為0～30°，調(diào)節(jié)精度為5°；φ的調(diào)節(jié)范圍為0～360°，調(diào)節(jié)精度為5°。

用不同的矢量線圈進(jìn)行供電，可以得到約束場(chǎng)在不同方向上的調(diào)制結(jié)果，如圖5所示。

通過3個(gè)共軸電磁矢量線圈的協(xié)同供電，可以按照需求在不同方向進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制精度可由線圈電流控制。通過仿真，理論上驗(yàn)證了電推進(jìn)羽流電磁矢量控制具備驗(yàn)證實(shí)施條件。

圖5 電磁矢量控制磁場(chǎng)仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of magnetic field with electromagnetic vector modulation

續(xù)圖5Fig.5 Continued

2 原理性試驗(yàn)驗(yàn)證

在螺旋波電推進(jìn)研制的基礎(chǔ)上，開展了羽流偏轉(zhuǎn)的原理性試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1 原理性驗(yàn)證

主約束磁場(chǎng)采用1 000匝電磁線圈，在25 A直流供電下提供中心磁感應(yīng)強(qiáng)度0.18 T磁場(chǎng)。耦合天線采用右手螺旋天線，長(zhǎng)度12 cm。放電室采用直徑4 cm石英玻璃管，長(zhǎng)度40 cm。射頻功率通過同軸結(jié)構(gòu)輸入，最大功率3 kW。

偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中心磁感應(yīng)強(qiáng)度0.05 T。在2 kW輸入功率螺旋波模式條件下，開啟偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)供電，羽流發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。

從圖6和圖7可以看出，羽流在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)開啟后明顯偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角約60°。該試驗(yàn)從原理上驗(yàn)證了電磁矢量控制技術(shù)，為后續(xù)羽流偏轉(zhuǎn)全電磁控制技術(shù)的深入研究奠定了基礎(chǔ)。

圖6 螺旋波模式下的羽流位形圖Fig.6 Shape of plasma flow without altering magnetic field introduced

圖7偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)開啟后羽流位形圖Fig.7 Shape of plasma flow with altering magnetic field introduced

2.2 等離子體密度分析

通過原理性驗(yàn)證試驗(yàn)，可以看出在電磁控制偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)調(diào)制下，羽流發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證偏轉(zhuǎn)效果，對(duì)下游軸向中心10 cm，垂直-10 cm處等離子體密度進(jìn)行了測(cè)量。通過對(duì)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)線圈加載15 Hz周期性三角波電流，當(dāng)?shù)入x子體密度隨之發(fā)生周期性調(diào)制，則說明電磁線圈產(chǎn)生的調(diào)制磁場(chǎng)對(duì)電推進(jìn)羽流進(jìn)行了偏轉(zhuǎn)控制。

等離子體密度的測(cè)量采用了Impendans公司的Automated Langmuir Probe System。對(duì)比偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)開啟前后的等離子體密度如圖8所示。

圖8 無調(diào)制磁場(chǎng)是電推進(jìn)羽流等離子體密度圖Fig.8 Plasma density of helicon plasma thruster without altering magnetic field introduced

電流調(diào)制線圈未加電流時(shí)，通過探針測(cè)量的螺旋波電推進(jìn)羽流的等離子體密度擾動(dòng)見圖8，屬于正常等離子體密度變化，約為6×1013m-3。

對(duì)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)線圈加載15 Hz的6 A周期性電流時(shí)，該點(diǎn)等離子體密度如圖9所示。

圖9 等離子體密度調(diào)制圖(6 A，15 Hz)Fig.9 Plasma density of helicon plasma thruster with altering magnetic field introduced(6 A，15 Hz)

圖9中兩條綠線間是一個(gè)電流調(diào)制周期，約為33 000個(gè)記錄點(diǎn)步長(zhǎng)，約為0.066 s，調(diào)制頻率約為15 Hz，與電磁線圈的調(diào)制頻率基本相同。等離子體密度最低5×1013m-3，最高1.5×1014m-3。由于等離子體參數(shù)測(cè)量點(diǎn)位于羽流中心下方10 cm處，即不處于羽流中心位置，等離子體密度小于中心密度。附加15 Hz調(diào)制線圈后，羽流將發(fā)生上下偏轉(zhuǎn)的周期性震蕩。因此，等離子體參數(shù)測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)也將發(fā)生從小到大再到小的周期性變化。等離子體密度的增加是由于羽流中心發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此也驗(yàn)證了電磁線圈調(diào)控羽流方向的結(jié)果。調(diào)制效果明顯，說明電推進(jìn)羽流主體發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)螺旋波電推進(jìn)羽流方向的電磁矢量控制開展了理論分析和原理性試驗(yàn)驗(yàn)證。理論上分別分析了單個(gè)電磁矢量調(diào)制線圈和三維電磁矢量調(diào)制的仿真結(jié)果，說明磁場(chǎng)位型在該模型參數(shù)下能夠偏轉(zhuǎn)30°。試驗(yàn)方面，根據(jù)實(shí)際電推進(jìn)器特點(diǎn)，附加0.05 T偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下，羽流主體偏轉(zhuǎn)60°，達(dá)到了驗(yàn)證的效果。同時(shí)，分析了等離子體參數(shù)在15 Hz周期調(diào)制的磁場(chǎng)下，等離子體密度同樣出現(xiàn)周期性震蕩，充分說明了電推進(jìn)等離子體羽流受偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)調(diào)制的影響，并對(duì)調(diào)制頻率存在有效響應(yīng)。偏轉(zhuǎn)角度的精確調(diào)節(jié)能夠通過調(diào)制磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)。在具體集成與應(yīng)用過程中，鑒于電磁矢量控制線圈緊貼推進(jìn)器噴口，建議將電磁線圈的與噴口進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，其中心與推進(jìn)器中心共軸，同時(shí)磁場(chǎng)需保持連續(xù)，避免出現(xiàn)電磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與推進(jìn)器自身的磁場(chǎng)發(fā)生間斷等問題。在電磁屏蔽方面，應(yīng)為電磁矢量控制線圈設(shè)計(jì)金屬外殼，并使之與推進(jìn)器甚至整個(gè)航天器一體化，避免電磁控制線圈工作時(shí)產(chǎn)生擴(kuò)散或泄露磁場(chǎng)影響推進(jìn)器甚至航天器的正常工作。