HET-450大功率霍爾電推力器仿真分析及試驗(yàn)

王尚民，劉 超，郭 寧，耿 海，陳新偉，丁永杰，李 鴻，李 沛，郭偉龍，何 非

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，等離子體推進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

相比其他大功率(10 kW以上)電推力器，大功率霍爾推力器具有技術(shù)成熟度高、推功比大、大熱流下無需主動(dòng)散熱等突出優(yōu)勢(shì)，是最接近空間應(yīng)用的大功率電推進(jìn)系統(tǒng)，在深空探測(cè)、空間攻防、載人登月，地月貨運(yùn)、在軌服務(wù)等任務(wù)中有重要應(yīng)用前景，是當(dāng)前空間電推進(jìn)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[1-4]。

自上世紀(jì)90年末，世界各國開始開展大功率霍爾電推進(jìn)技術(shù)研究，目前成功研制了近10款大功率霍爾電推進(jìn)樣機(jī)，其中多款已經(jīng)達(dá)到工程樣機(jī)水平。研究及產(chǎn)品研制主要集中于俄、美等航天強(qiáng)國。

俄羅斯在大功率霍爾電推進(jìn)技術(shù)的研究方面主要采用SPT(穩(wěn)態(tài)等離子體推力器)型和TAL(陽極層推力器)型兩種技術(shù)路線，前者比較典型為Fakel研制的SPT-290[5]，其是較早的大功率霍爾推力器之一，采用了分立導(dǎo)磁柱構(gòu)型，避免了放電室包裹，增強(qiáng)了熱輻射效率，在200～600 V放電范圍內(nèi)開展了性能研究，實(shí)現(xiàn)最大功率30 kW、最大推力1.5 N，最高比沖超過3 000 s；后者典型產(chǎn)品為使用鉍(Bi)工質(zhì)的VHITAL-160，其性能為功率25～36 kW，比沖6 000～8 000 s，推力650～700 mN[6]。

進(jìn)入本世紀(jì)，大功率霍爾推進(jìn)技術(shù)研究主要集中于美國格倫研究中心(GRC)、Busek公司等，基本采用SPT型技術(shù)路線。2000年，GRC成功研制NASA-457M，為使高功率加載后穩(wěn)定工作，采用了分離式放電室、半開放式磁路組件等熱防護(hù)措施，釋放了高熱載下應(yīng)力并提升熱導(dǎo)出能力，實(shí)現(xiàn)了寬功率范圍穩(wěn)定工作，開展了電壓(300-650V)和磁場(chǎng)調(diào)整下的性能測(cè)試研究，在72 kW下實(shí)現(xiàn)推力3 N、比沖2930 s、效率57%的性能指標(biāo)[7]。隨后，為追求高比沖性能，GRC基于NASA-457M，進(jìn)行了尺寸、放電通道結(jié)構(gòu)、磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面優(yōu)化，研制出了NASA-400M[8]，可實(shí)現(xiàn)1050 V高電壓加載，最大功率64 kW，使用氪氣工質(zhì)時(shí)比沖達(dá)4700 s；基于NASA-457M/400M技術(shù)研究，進(jìn)一步面向工程應(yīng)用，采用了磁屏蔽技術(shù)、耐濺射極靴蓋板等提升壽命方法，并考慮了力、熱環(huán)境適應(yīng)性，GRC開發(fā)出了12.5kW功率的HERMeS推力器，計(jì)劃于2024年前后開展空間應(yīng)用[9]。此外，Busek公司研制了10kW量級(jí)的BHT-8000，研究了碘作為工質(zhì)下的性能，較之氙氣，陽極效率降低[10]；為提升推力器的推力密度，密歇根大學(xué)采用了SPT-多通道技術(shù)方案研制了X3，最大功率102 kW，最大電流260 A，最大推力5.4 N，達(dá)到迄今最高水平[11]。

從國外大功率霍爾推進(jìn)技術(shù)研究歷程來看，研究人員往往將熱載荷的優(yōu)化設(shè)計(jì)在推力器設(shè)計(jì)過程被列為第一優(yōu)先級(jí)，開展針對(duì)性熱設(shè)計(jì)及熱防護(hù)，使其能夠承載高熱量，保證推力器能夠穩(wěn)定工作；進(jìn)而，開展電壓、磁場(chǎng)等參數(shù)調(diào)整的電磁調(diào)控下性能分析，并逐步工程化。當(dāng)然，大功率霍爾推力器存在如文獻(xiàn)[12]所述的離子熱能化和濺射腐蝕增強(qiáng)問題、大電流動(dòng)態(tài)感應(yīng)磁場(chǎng)干擾等技術(shù)難點(diǎn)，但在研究初期，高熱量影響抑制以及一定范圍內(nèi)電磁可調(diào)控則顯得尤為重要，基于此，才能夠深入進(jìn)行技術(shù)研究。

基于上述，本文主要從大功率下熱防護(hù)設(shè)計(jì)、工作參數(shù)調(diào)整對(duì)性能影響進(jìn)行研究分析。開展了熱防護(hù)設(shè)計(jì)，進(jìn)而建模熱仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)有效性，確保了樣機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行；同時(shí)，依據(jù)已設(shè)計(jì)推力器尺寸，開展基于PIC的放電電壓調(diào)整下的性能仿真，獲得預(yù)期性能，為推力器尺寸優(yōu)化以及試驗(yàn)開展提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)展現(xiàn)大功率霍爾推力器運(yùn)行微觀物理過程，增強(qiáng)機(jī)理認(rèn)識(shí)。

1 大功率下熱防護(hù)設(shè)計(jì)及分析

1.1 熱防護(hù)設(shè)計(jì)

由于推力器設(shè)計(jì)額定工作功率達(dá)到50 kW以上，熱耗達(dá)到了十幾kW量級(jí)?；魻柾屏ζ鞴ぷ鬟^程中關(guān)鍵部位的溫度會(huì)影響推力器可靠性以及性能，溫度過高甚至?xí)?dǎo)致熱失效。其中，作為霍爾推力器核心的導(dǎo)磁材料尤為重要，需采用磁性溫度穩(wěn)定性好的導(dǎo)磁材料。本文采用了DT4C，由于其具有較高的導(dǎo)磁率而選作大功率霍爾推力器導(dǎo)磁材料，其在一定溫度范圍內(nèi)，能夠保持較高的磁導(dǎo)率；隨著溫度的升高，磁導(dǎo)率會(huì)降低，使得在額定勵(lì)磁電流條件下，通道內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)降低，進(jìn)而影響推力器性能。為此，需要控制磁極溫度在一定范圍內(nèi)，這樣霍爾推力器在一定的磁場(chǎng)范圍內(nèi)均能保持較低的放電電流(最優(yōu)放電工況)，溫度的變化引起的磁場(chǎng)變化不會(huì)對(duì)推力器性能產(chǎn)生影響，由此推力器磁極溫度是本文關(guān)注重點(diǎn)，此外作為接收電子以及功率加載的陽極，以及承載勵(lì)磁電流并產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈、多種導(dǎo)線和管路固定位置的底板等重要部位的溫度也需要重點(diǎn)關(guān)注。

為保證推力器核心部位處于相對(duì)安全溫度，開展了針對(duì)性的熱防護(hù)設(shè)計(jì)，主要有：a、針對(duì)陽極溫度高難點(diǎn)，通過推力器局部鏤空處理，避免放電室和陽極高溫組件的包覆，提高熱量排出的效率；b、空心陰極中置的空間尺寸充分放大，將其與鄰近磁芯中空柱的距離拉大，提高熱輻射面，并且在磁芯進(jìn)行等離子體噴涂隔熱材料，在良好導(dǎo)熱的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁組件的保護(hù)；c、針對(duì)放電室設(shè)計(jì)，提出了一種基于柔性連接的大功率霍爾推力器放電室組件設(shè)計(jì)，通過插手式陶瓷連接，實(shí)現(xiàn)了柔性連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大功率放電情況下的熱應(yīng)力釋放，確保了推力器穩(wěn)定可靠工作，同時(shí)規(guī)避了大尺寸下的一次成型的技術(shù)難題[13]；d、合理選用耐高溫材料。對(duì)推力器關(guān)鍵組件選用合理的耐高溫材料，具體包括：針對(duì)放電通道高溫條件，供氣環(huán)選用金屬鉬；內(nèi)外勵(lì)磁線圈溫度選用玻璃絲包涂漆層結(jié)構(gòu)的耐溫導(dǎo)線。基于上述，考慮各關(guān)鍵部件或者材料對(duì)溫度的適應(yīng)性，形成了核心組件允許溫度表，具體見表1所示：

表1 核心組件允許溫度范圍Tab.1 Temperature range allowed for core components

1.2 熱仿真模型

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)有效性，進(jìn)行熱仿真模擬，采用商業(yè)軟件Cero2.0開展推力器模型建立，然后將模型導(dǎo)入商業(yè)分析軟件Ansys開展穩(wěn)態(tài)的仿真，以獲得霍爾推力器50 kW額定功率下的整體溫度分布，并關(guān)注關(guān)鍵部位的溫度，進(jìn)而確定設(shè)計(jì)有效性。

HET-450設(shè)計(jì)主要對(duì)標(biāo)美國NASA-457M霍爾推力器樣機(jī)，兩者屬于同等功率范疇和尺寸量級(jí)的推力器產(chǎn)品，具有相近的熱特性。為此在進(jìn)行熱仿真時(shí)，參考NASA-457M推力器的放電工況以及性能參數(shù)，即放電電壓500 V，放電電流100 A，額定放電功率50 kw，陽極效率達(dá)到67%。因而，其總損失功率占總功率33%，約16.5 kW。

中低功率霍爾推力器能量損失研究已開展了諸多研究，并建立起了能量損失體系。據(jù)其體系，通常認(rèn)為霍爾推力器陽極功率中的能量損失主要包含了陽極和壁面沉積熱能、在徑向上的羽流發(fā)散動(dòng)能、電離能、陰極耦合損失、在電子與樣機(jī)復(fù)合時(shí)的輝光過程和離子激發(fā)退激發(fā)過程中的光能；此外，勵(lì)磁線圈和陰極的發(fā)熱產(chǎn)生一定的熱能?；谏鲜龇治?，并結(jié)合NASA-457M工況和性能參數(shù)，給出HET-450邊界能量損失如表2所示。

表2 能量損失評(píng)估Tab.2 Energy loss assessment

熱傳導(dǎo)根據(jù)材料屬性和接觸對(duì)自動(dòng)求解，熱輻射系數(shù)為查閱后輸入，各個(gè)材料表面的輻射系數(shù)見表3所示。輻射條件考慮較大表面積之間的相互輻射、與外表面對(duì)環(huán)境之間的相互輻射，環(huán)境溫度為22 ℃。面對(duì)面輻射設(shè)定時(shí)，除非封閉腔體，否則均考慮對(duì)外環(huán)境的輻射散熱。

表3 材料的表面輻射系數(shù)[14]Tab.3 Surface radiation coefficient of material

1.3 模擬結(jié)果分析

基于以上熱仿真模型，得到HET-450推力器額定工況下整體穩(wěn)態(tài)溫度分布，具體見圖1所示。從中可以獲知，陰極溫度最高達(dá)到1300℃左右，陽極最高溫度達(dá)到594℃，出口附近內(nèi)陶瓷溫度735℃，外陶瓷670℃，磁路結(jié)構(gòu)中內(nèi)磁芯溫度最高達(dá)到370℃，外磁極215℃，內(nèi)線圈約360℃，外線圈約220℃，底板溫度約為180℃。對(duì)照關(guān)鍵部位溫度要求，各部分結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)溫度均在要求的安全范圍內(nèi)，保證了推力器能夠在額定工況下穩(wěn)定工作，也表明了熱防護(hù)設(shè)計(jì)有效性。

圖1 推力器整體溫度分布Fig.1 Overall temperature distribution of thruster

2 性能仿真分析

2.1 數(shù)值模型及方法

通過數(shù)值模型對(duì)所設(shè)計(jì)的推力器進(jìn)行性能仿真驗(yàn)證，分析推力器在不同工況下的放電特性，為推力器優(yōu)化及試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

(1)推力器模型

推力器仿真計(jì)算模型模擬區(qū)域，由推力器放電通道以及近羽流區(qū)組成，進(jìn)一步細(xì)化，分成了四塊計(jì)算區(qū)域，具體見圖2左圖所示。根據(jù)霍爾推力器軸對(duì)稱的特點(diǎn)，可以認(rèn)為放電在圓周向的分布是均勻，由此，可將對(duì)放電參數(shù)變化的考察，簡(jiǎn)化至只關(guān)注軸向(z)和徑向(r)即可，進(jìn)而形成建立在(z，r)平面上的計(jì)算模型，如圖2上圖所示。依據(jù)HET-450霍爾推力器放電通道大小，給出了模擬區(qū)域的尺寸。具體而言，r=0為推力器的軸線，通道內(nèi)、外徑分別為159,223 mm，通道長(zhǎng)度54 mm，計(jì)算區(qū)域的總長(zhǎng)度為154 mm，高度為289 mm。磁場(chǎng)位形分布，見圖2下圖所示。

(2)Particle-in-Cell模型

本文研究采用Particle-in-Cell數(shù)值模擬程序，是由哈爾濱工業(yè)大學(xué)于達(dá)仁老師團(tuán)隊(duì)所開發(fā)[15]。在程序中，用自由分子流來處理原子的流動(dòng)；認(rèn)為離子不被磁化，而電子則被磁化，前者運(yùn)動(dòng)行為僅考慮電場(chǎng)的影響，后者則需要同時(shí)考慮電場(chǎng)和磁場(chǎng)；求解Possion方程是在柱坐標(biāo)系下，通過有限體積的方法推動(dòng)；針對(duì)帶電粒子運(yùn)動(dòng)的求解，是以Buneman與Boris提出的二階精度蛙跳格式進(jìn)行的。計(jì)算模型主要考慮電子-原子間的碰撞，包含了激發(fā)、一價(jià)的電離以及彈性碰撞，其中，碰撞截面相關(guān)數(shù)據(jù)主要來源于Szabo所開發(fā)的PIC模型[16]；采用MCC和NULL-collision方法[17]來優(yōu)化電子碰撞的計(jì)算過程，即電子完成碰撞之后，通過一次的判斷，就可以將其發(fā)生的碰撞形式進(jìn)行確定。此外，為使計(jì)算獲得放電電流盡量貼合實(shí)際情況，計(jì)算模型中還考慮了Bohm反常傳導(dǎo)，進(jìn)一步，采用Bohm碰撞頻率vB=CBeB/me進(jìn)行等效這一效應(yīng)，其中，CB為可變波姆半經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，e為基本電荷量，B為磁場(chǎng)強(qiáng)度，me為電子質(zhì)量。當(dāng)發(fā)生Bohm碰撞時(shí)，電子僅在垂直于磁場(chǎng)的平面內(nèi)被隨機(jī)彈性散射，并未考慮庫倫碰撞、電荷交換碰撞等。

Z/m圖2 HET-450霍爾推力器模擬區(qū)域(上)和磁場(chǎng)位形(下)Fig.2 HET-450 Hall Thruster Simulation Area (top) and Magnetic field Configuration (bottom)

(3)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

依據(jù)上述模型，在開展模擬時(shí)，推力器的放電電流Id、推力T、陽極效率ηa、工質(zhì)利用率ηu、電流利用率以及速度比沖Isp,v等性能參數(shù)由公式(1)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到。

ηI=Ii/Id

(1)

2.2 模型結(jié)果及分析

仿真模擬時(shí)，依據(jù)熱仿真分析的結(jié)果，設(shè)置外壁面、內(nèi)壁面、陽極、內(nèi)磁極以外磁極的溫度數(shù)值；而二次電子發(fā)射溫度Tsee=1 eV。模型中玻姆傳導(dǎo)系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)選擇，通道內(nèi)CB取1/256，通道外取1/64。

a.50 kW電離情況以及性能分析

HET-450霍爾推力器口徑近450 mm，相比中小功率霍爾推力器(中功率典型產(chǎn)品SPT-140，放電腔口徑140 mm)，具有放電室口徑尺寸大的特點(diǎn)，為研究在這種大尺度上的電離情況，固定流率80 mg/s，開展變電壓模擬分析，選定電壓分別為300，400 V，標(biāo)況下的500，以及600 V。其他參數(shù)保持不變。

基于仿真模擬，獲得了不同電壓下原子密度分布，具體見圖3所示。從300和600 V的原子密度分布云圖來看，在HET-450推力器近陽極區(qū)，無論電壓高低，均存在一個(gè)低原子密度區(qū)域，表明此處非常劇烈的消耗原子，即為電離比較集中的位置，使得原子密度值較低。從300～600 V，隨著陽極電壓的增大，通道下游和壁面處原子密度明顯降低。不同電壓下的電勢(shì)分布如圖4所示，電壓升高，通道內(nèi)普遍具有更高的電壓，且從圖4(c)中可以看出，陽極電壓越低，在近出口位置電勢(shì)梯度越低。電子從陰極受電場(chǎng)吸引向高壓的陽極運(yùn)動(dòng)，一方面電子受電場(chǎng)加速而升溫，另一方面電子與粒子或壁面碰撞損失能量而溫度降低。由于低電壓工況電勢(shì)低，因此其最高電子溫度也偏低，如圖5所示，300 V情況最高電子溫度僅為30 eV，而500 V情況最高電子溫度可達(dá)59 eV。

(a)300 V

(b)600 V圖3 80 mg/s流量時(shí)不同電壓下原子密度分布Fig.3 Atomic density distribution at different voltages at 80 mg/s flow rate

原子在通道內(nèi)電離過程可以寫成表達(dá)式：

(2)

式中na為中性原子密度，ne為電子密度，σi為電離截面，ve為電子速度，〈σive〉為平均電離率。當(dāng)陽極流量相同時(shí)，電子速度也就是電子溫度越高時(shí)，通道內(nèi)原子密度消耗越快，即電離率越高。而低電壓工況較低的電子溫度導(dǎo)致其通道內(nèi)電離率也明顯偏低，因此在通道近出口位置也能觀察到較高的原子密度分布。通過圖6的通道內(nèi)沿徑向電子溫度分布圖可以看出，隨著陽極電壓降低，壁面處電子溫度也明顯偏低，較低的近壁電子溫度會(huì)進(jìn)一步降低近壁處電離率，500和600 V壁面電子溫度在10 eV左右，而300 V情況壁面電子溫度僅為4.5 eV。較低的壁面電子溫度導(dǎo)致低電壓情況原子在壁面處泄露嚴(yán)重，如圖3的原子密度云圖分布，300 V情況在壁面附近原子密度較高。

由以上分析可知，低電壓工況下較低的電子溫度無法保證有效電離，電離率較差，沿壁面原子損失嚴(yán)重，因此低電壓工況下的工質(zhì)利用率也較低，如圖7所示。

(a)300 V

(b)600 V

z/m(c)近出口段沿通道中心線電勢(shì)分布圖4 80 mg/s流量時(shí)不同電壓下電勢(shì)分布Fig.4 Potential distribution at different voltages at 80 mg/s flow rate

由此推測(cè)對(duì)于大功率霍爾推力器這種大口徑情況，電壓低會(huì)使得工質(zhì)利用率也相對(duì)較低，進(jìn)而造成推力器整體效率變低。

進(jìn)一步計(jì)算放電電流等宏觀參數(shù)以及推力和陽極效率等性能參數(shù)，具體見圖8所示。從圖8可以看出，隨放電電壓的增大，放電電流增加，但500 V與600 V電流接近；隨電壓升高，推力隨之增加；然而，放電電壓600 V陽極效率低于500 V時(shí)情況，分析其原因，由于600 V電場(chǎng)較大，電子溫度較高，此時(shí)電子繞磁力線做螺旋運(yùn)動(dòng)的半徑較大，電子易脫離磁力線約束而受電場(chǎng)影響向陽極運(yùn)動(dòng)。這導(dǎo)致電子在通道內(nèi)滯留時(shí)間明顯降低，因此雖然600 V情況電子溫度高，但其工質(zhì)利用率與500 V相比略有降低，如圖9所示。另一方面由于陽極電壓高，離子加速大，離子撞擊壁面能量損失多，能量損失高，導(dǎo)致了600 V工況陽極效率較低。

z/m圖5 近出口段沿通道中心線電子溫度分布Fig.5 Electron temperature distribution along the center line of the channel near the exit section

γ/m圖6 通道內(nèi)沿徑向電子溫度分布Fig.6 Radial electron temperature distribution in the channel

t/s圖7 不同電壓下的工質(zhì)利用率Fig.7 Utilization rate of working medium at different voltages

t/s(a) 不同電壓下放電電流

t/s(b) 不同電壓下推力

t/s(c) 不同電壓下陽極效率圖8 不同電壓下性能參數(shù)Fig.8 Performance parameters at different voltages

b.30 kW下性能參數(shù)計(jì)算

受試驗(yàn)條件及能力限制，試驗(yàn)驗(yàn)證擬在30 kW放電功率下開展，因此選擇30 kW功率作為分析點(diǎn)進(jìn)行性能參數(shù)計(jì)算。仿真結(jié)果達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，推力器宏觀放電特征參數(shù)情況，見圖10所示。從圖10中可以看出，基于上文分析研究，電壓過低會(huì)降低推力器效率，為此，選定工作電壓為500 V，流率為58.2 mg/s，在此工況下進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果為：推力器放電電流約為58.8 A，推力達(dá)1 380 mN，陽極效率約為54%，比沖約為2320 s，見圖10所示。

徑向/m圖9 500V與600V工況工質(zhì)利用率Fig.9 Working medium utilization rate at 500 V and 600 V conditions

t/s(a) 放電電流

t/s(b) 推力

t/s(c) 比沖

t/s(d) 效率圖10 500V，58.2mg/s工況下，推力器的計(jì)算放電電流、推力、比沖、效率Fig.10 Discharge current,thrust,specific impulse and efficiency of thruster are calculated under the condition of 500V and 58.2mg/s

3 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

開發(fā)了50 kW級(jí)霍爾推力器原理樣機(jī)——HET-450，樣機(jī)見圖11所示，以此樣機(jī)開展試驗(yàn)驗(yàn)證分析，HET-450推力器在蘭州空間技術(shù)物理研究所自主設(shè)計(jì)搭建的TS-7A低溫真空試驗(yàn)平臺(tái)上開展了點(diǎn)火試驗(yàn)，系統(tǒng)連接關(guān)系圖見圖11所示；該真空系統(tǒng)主艙尺寸：φ4 500 mm(內(nèi)徑)×10 000 mm(直段)；副艙尺寸：φ2 000 mm(內(nèi)徑)×2 500 mm(直段)；抽速為每秒25萬升。系統(tǒng)達(dá)到10-4Pa以下本底真空環(huán)境，啟動(dòng)推力器點(diǎn)火工作。首先，進(jìn)行推力器放電室和勵(lì)磁線圈的加熱除氣；然后，開展高功率性能測(cè)試，具體為在低功率條件下點(diǎn)火，同時(shí)等比例調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，遵循最小電流原則調(diào)節(jié)磁場(chǎng)，通過逐步提升電壓、流率、勵(lì)磁電流等方式，增大功率；最后，在目標(biāo)功率下放電穩(wěn)定一段時(shí)間后，進(jìn)行推力測(cè)量。

推力測(cè)量系統(tǒng)采用單擺測(cè)力原理測(cè)量推力，其中，推力器垂直吊裝固定于主真空室頂壁，見圖12(a)；靶標(biāo)反射鏡固定于推力器尾部，其結(jié)合激光干

圖11 HET-450樣機(jī)實(shí)物圖(上)和試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)連接圖(下)Fig.11 HET-450 Prototype physical drawing (top) and test equipment system connection drawing (bottom)

涉儀測(cè)量推力器微小位移，見圖12(b)。具體實(shí)施時(shí)首先校準(zhǔn)，由于校準(zhǔn)砝碼的重量已知，即產(chǎn)生的拉力大小已知，位移由激光干涉儀測(cè)量得到，通過不同重量的校準(zhǔn)砝碼，從而可以得到“力——位移”曲線，可用F=kx+b表示，式中，F(xiàn)為拉力值，x為位移量，k為彈性系數(shù)，b為誤差系數(shù)(即校準(zhǔn)曲線理論上不會(huì)過坐標(biāo)原點(diǎn))。當(dāng)霍爾推力器工作產(chǎn)生推力時(shí)發(fā)生的位移由激光干涉儀測(cè)出，把位移量代入公式，通過比對(duì)即可得到霍爾推力器產(chǎn)生的推力大小。

基于上述試驗(yàn)操作過程，考慮到試驗(yàn)系統(tǒng)的條件及能力，在30 kW級(jí)功率實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定工作，這也表明推力器整體熱分析和熱設(shè)計(jì)具有有效性。在大功率霍爾推力器試驗(yàn)過程中，選用氙氣作為工作氣體，在流率為58.2 mg/s，陽極電壓500 V，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定放電，為恒壓模式；此時(shí)試驗(yàn)測(cè)得陽極電流約為59 A，通過高壓探頭以及電流探頭獲得陽極放電電壓和放電電流的放電曲線，具體見圖12(c)(d)所示。通過推力系統(tǒng)測(cè)量此工況下的推力為1.33 N，推力與仿真計(jì)算數(shù)值1.38 N偏差在5%以內(nèi)，由此認(rèn)為測(cè)量和仿真數(shù)值具有較高的符合性，表明采用推力器設(shè)計(jì)結(jié)合仿真驗(yàn)證，迭代推動(dòng)推力器定型的方法行之有效，性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期值，即仿真性能數(shù)值，進(jìn)而說明推力器整體設(shè)計(jì)合理而有效。

(a) 推力器艙內(nèi)吊裝圖

(b) 激光干涉儀實(shí)物圖

t/s(c) 放電波形曲線

(d) 放電羽流圖圖12 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Test device and test results

4 結(jié)論

開展了大功率霍爾推進(jìn)技術(shù)研究，從熱分析、性能仿真以及試驗(yàn)驗(yàn)證等方面進(jìn)行了分析闡述，形成結(jié)論如下：

(1)基于分析完成針對(duì)性熱防護(hù)設(shè)計(jì)，據(jù)此建立熱仿真模型并計(jì)算，獲得了陽極、磁芯、陶瓷組件、內(nèi)外勵(lì)磁線圈等關(guān)鍵組件溫度，結(jié)果表明各處溫度均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，體現(xiàn)出設(shè)計(jì)的有效性。

(2)通過固定流率開展不同電壓下的電離特性分析，獲得在這種大尺寸情況下，工質(zhì)會(huì)由于電壓低而利用率降低，使得推力器效率低；但從陽極效率分析來看，600 V陽極效率低于500 V時(shí)工況，分析原因?yàn)楦邏弘妶?chǎng)較大，電子在通道停留時(shí)間短，電離不充分，但離子加速大，離子撞擊壁面能量損失多，使得電離效果差，能量損失高，導(dǎo)致了600 V工況陽極效率較低；上述特性分析支持了推力器最優(yōu)工況點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)置。

(3)采用激光干涉推力測(cè)量法，測(cè)量了30 kW功率下推力器的性能，獲得1.33 N推力，與理論分析計(jì)算值1.38 N偏差在5%以內(nèi)，具有較高的符合度，表明大功率霍爾推力器設(shè)計(jì)合理而有效。

在后續(xù)研究中，將繼續(xù)以仿真和試驗(yàn)相結(jié)合方式開展更高功率下推力器放電特性研究，為大功率霍爾推力器技術(shù)成熟度提升提供支持。