kW级圆柱霍尔推力器放电特性实验研究

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1、硕士学位论文kW级圆柱霍尔推力器放电特性实验研究EXPERIMENTALINVESTIGATIONOFAKILOWATTCYLINDRICALHALLEFFECTTHRUSTER吴优哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V235.2学校代码：10213国际图书分类号：629.7密级：公开工程硕士学位论文kW级圆柱霍尔推力器放电特性实验研究硕士研究生：吴优导师：李鸿讲师申请学位：工程硕士学科：动力工程所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V4

2、39.2U.D.C:621.455DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringEXPERIMENTALINVESTIGATIONOFAKILOWATTCYLINDRICALHALLEFFECTTHRUSTERCandidate：WuYouSupervisor：Lecturer.LIHongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：PowerMachineryandEngineeringAffiliation：Sc

3、hoolofEnergyScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要当前电推进主要应用于卫星南北位置保持、轨道修正等小冲量空间任务。随着人类对太空的探索，轨道提升、深空探测等任务对推力和总比冲提出了更高的要求，电推进向大功率发展成为趋势，其中霍尔推力器向大功率发展没有不可调和的矛盾，但当前大功率单环霍尔推力器按相似准则设计的尺寸偏

4、大，不利于实际应用。基于此，本文提出了一种提高霍尔推力器功率密度和推力密度的新磁路构型及通道结构，并对缩比原理样机进行放电实验及优化。首先针对该推力器具有的渐扩圆环和圆柱组合的通道构型特点，开展了供气方式的对比研究。结果表明，与沿推力器轴向供气相比，沿着渐扩通道角平分线供气可使电离区靠近通道中心线，此时离子在壁面损失小，工质利用率和电流利用率更大，电压利用率更高，羽流发散角更小，推力更大。原理样机的放电羽流在最小放电电流工况下呈空心锥形，与传统羽流形状不同，进而研究了磁场位型对羽流形态的影响，结果表明通道内磁场对羽流模

5、式转变起决定作用，当磁透镜与轴向夹角越大，空心锥形羽流的交汇点越靠近通道出口；当磁透镜中心轴线方向与推力器轴向一致时，羽流模式发生转变，呈整体发散羽流；羽流由空心锥形向发散形转变过程中，磁透镜中心轴线与推力器轴向夹角减小，电子传导率降低，工质利用率和电流利用率上升，同时电压利用率得到提升，羽流发散角降低，阳极效率和推力增加。其次，该推力器放电主要发生在通道内，因此通道构型对推力器放电特性及性能的影响开展了相关研究。结果表明，通道外壁面长度过短，对工质气体约束较差，工质利用率低；通道外壁面过长，离子在通道出口附近与壁面复

6、合效应较强，壁面等离子体损失较大，导致壁面易过热；通道外壁面长度在增加过程中，电压利用率下降，羽流发散角增大，因此需要平衡工质利用率、电压利用率、羽流发散角和壁面离子能量损失，才能找出最高放电效率的外壁面特征长度。改变通道内壁面构型的研究表明，与渐扩圆环和圆柱组合通道相比，完全渐扩圆环通道下电离更靠近通道内部，离子在壁面损失严重，但磁透镜与轴向夹角小，电压利用率高，羽流发散角小，推力较大；然而，由于电子电流比重增大，阳极效率低于组合通道。最后，对扩大该推力器工作参数范围的手段进行探索，出发点为增大通道内磁场梯度，将电离

7、区外推；据此结合原理样机磁路构型设计了导磁阳极。导磁阳极在非导磁阳极的基础上进行轴向延伸，与非导磁阳极相比，导磁阳极拓展了放电电压上限，但励磁调节范围较窄，随着导磁阳极轴向的增加，通道内磁场梯度增加，电-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文离区向通道外移动（轴向增加2mm的导磁阳极溅射带向外推0.8mm），羽流发散角增大，电离区相对阳极表面距离缩短，电子损失较大，电流利用率降低，阳极效率减小。导磁阳极Mag-Ⅰ放电通道内磁场分布与非导磁阳极一致，对应的通流面积增大，通道内工质密度降低，工质利用率降低，推力较小；导磁阳极M

8、ag-Ⅱ的磁场强度和梯度都增大，工质利用率得到提高，推力增大。关键词：kW级圆柱霍尔推力器；放电特性；供气方式；磁场位型；通道构型；导磁阳极-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractCurrentelectricpropulsionismainlyappliedtothemaintenanceofsatelliteno