哈工大能源学院于达仁-发动机控制进展及展望2--SPT发动机控制.pdf

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1、提要等离子体发动机的电离不稳定¢Hall发动机特性及工作原理性及镇定¢低频震荡分析¢系统模型建立¢控制器设计及仿真¢稳定性分析¢实验验证于达仁王春生¢小结2008.7.28Hall发动机及应用电推进的种类¢电热式（Arcjet)¢Hall发动机是电推进器的一种。¢静电式(离子推进器）¢电推进的基本特点是比冲高、推力小、寿命长。电推进适合用于各类航天器的姿控、轨道控制、位¢电磁式（SPT）置保持、重新定位、离轨处理、航天器再入、宇宙探测和星际航行任务。三类主要电推进器性能比较Hall发动机特性及应用Type比冲(s)效率%推力功率/重量寿命(h)¢Hall发

2、动机结构简单，技术成熟，已商业化应用。(mN)¢从1972年开始，已有118个SPT投入使用，目前大约还有50ARCjet400-27-37100-0.25-0.5500台依然在工作。8502000kw/kgIon2500-46-6610-1600.03-10000Engine30000.12kw/kgHall1000-42-6010-0.4-1.310000Thruster20001500Kw/kgNASAGRC的SPT照片。左边为NASA-173Mv12kWNASA-120Mv2、5kWNASA-173Mv2，和50kWNASA-457MHall发动机

3、工作原理发动机工作原理¢工作原理：¢发动机工作区域：¢近阳极区¢电离区¢加速区¢羽流区低频振荡分析低频振荡分析¢供电电源为直流电源，但是在工作过程¢低频振荡产生原因：电离不稳定性中，存在频率范围很宽的电流振荡。其中性氙原子中振荡频率为1-100kHz的电流振荡，相n对于等离子体的数兆赫兹的高频振荡，加速喷出nn从阴极发射的初称之为低频振荡。始电子n¢实验电流变化图n加速喷出n离子n加速喷出低频振荡特点低频振荡分析¢电离过程是一个链式反应，是一个典型¢数值模拟的正反馈过程，如果没有制约因素，电离过程将以指数规律增长。¢中性原子的消耗对于电离过程起到负反馈作用

4、。低频振荡分析低频振荡的负面影响¢实验测量：¢电流的低频振荡贯穿整个回路，会对电源系统产生很大的冲击。¢过大的电流振荡会导致发动机熄火。¢电离不稳定影响发动机的内部和羽流区的等离子体参数变化。是发动机效率和羽流研究需要考虑的重点。左侧为中性气体密度，右侧为等离子体密度Hall发动机建模Hall发动机建模¢主要工作物质为：中性气体，电子，离子¢对SPT做了如下的假设：¢作用力：电场，磁场1）通道中的等离子体是呈准中性的；∂∂nnaa¢中型气体：连续性方程描述+=Vn−βnaa2）磁场沿径向，电场沿轴向，电导率只∂∂tx与磁场强度有关；¢准中性假设，电子和离子

5、密度采用统一连续方程∂∂nnV3）原子沿通道速度保持不变；+=βnna∂∂tx4）在整个通道中不存在多价离子。2∂∂nVnVen¢离子运动方程：+=+EβnnVaa∂∂txMHall发动机建模Hall发动机建模DCIAIAee//−nV∂∂nnV¢电场方程，欧姆定律：E==¢描述方程组：+=βnnaσσ()xx()∂∂tx2¢离子连续方程：∂∂nVnVen+=+EnβnVaa∂∂txM2¢离子动量方程：∂∂nn¢电子传导率方程：σσ()xH=00()/()Hxaa+=Vn−βnaa¢原子连续方程：∂∂txLL¢回路方程：∫Edx=U00¢放电回路方程：Ed

6、x=UI//AIAe−nV∫0E==e0¢电场方程：σσ()xx()¢电子传导率：2σσ()xH=00()/()Hx仿真结果及分析仿真结果及分析¢仿真给出了电离过程以及中性气体，离子的变化规律。¢下面给出电离过程中：¢电流的变化¢电离项变化¢原子密度变化¢离子密度变化控制器设计控制器设计¢低频振荡特性的分析：¢电离过程正反馈分析：¢正反馈的影响因素：电离率，中性气体密度，电¢开环不稳定子密度（离子密度）。¢自身正反馈¢离子密度变化的影响：电离产生，加速喷出。¢分布参数¢喷出离子速度直接和电场相关。¢非线性¢电场可以作为一个很好的控制信号¢振荡频段固定¢反馈

7、信号的选择：¢电离过程和电流的变化具有相对固定的相位特性，而且比较容易引入。控制器设计控制器设计¢加入外回路的反馈形式：¢对控制器的要求：IU0∆U+−发动机¢控制过程中，对反映不稳定的电流震荡要有U足够的信号放大倍数外电路¢稳定后，对直流放电电流不能产生阻抗，以免产生能量损失¢对于一个具有动态特性的滤波器，可以¢初步选择电感器件作为控制器调节电流和电压的相位，结合发动机的电流和电离过程的特性，可以通过反馈控制规律的影响电离过程，抑制不稳定控制器设计控制器设计—抗噪声干扰问题¢加入控制器的回路方程：电感1毫亨电感4毫亨¢在实际的发动机工作过程中，放电回路d

8、IL64Lc⋅+∫Edx=U0中电流振荡具有较宽频谱范围。0dt4