LHT-100霍尔推力器滤波设计与放电震荡关系研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:赵成仁

  为了对LHT-100 霍尔推力器放电震荡进行抑制,研制了与推力器相匹配的放电震荡抑制装置。结合国内外霍尔推力器放电震荡研制背景,通过仿真分析和集成试验两种手段,对LHT-100 霍尔推力器放电震荡情况进行了研究。根据试验结果表明滤波参与下放电回路震荡得到了有效抑制,为电推进系统稳定工作提供了可靠保障。

  霍尔推力器是电推进范畴的一种基本类型。其工作原理是分别将两个半径不同的陶瓷套管固定在同一轴线上组成了具有环形结构的等离子放电通道。阴极发射的电子进入通道后,在正交电磁场作用下将形成周向漂移,也称霍尔漂移,大量电子在环形通道内的漂移运动形成了霍尔电流。推进剂从气体分配器注入推进器通道,中性原子同做漂移运动的电子发生碰撞电离成为离子。离子在霍尔推力器的电离区中产生,在电场的作用下加速,从通道喷出后产生推力。

  自1971 年前苏联成功研制霍尔推力器以来,在霍尔推力器长期工作时,广泛存在着几Khz到几Ghz 的等离子震荡现象。世界各国致力于霍尔推力器的研究人员都对霍尔推力器中震荡现象进行了广泛研究。

  本文针对霍尔推力器放电震荡现象问题,分析了引入滤波模块的必要性。通过仿真和设计研制出了专门的滤波单元,最终通过电源处理单元、滤波单元与霍尔推力器的地面集成试验对霍尔推力器放电震荡抑制效果进行了验证。

  1、霍尔推力器放电震荡

  等离子体振荡现象在霍尔推力器放电过程中广泛存在,从几kHz 到几GHz 不等,这些振荡信号不但关系到霍尔推力器电源系统的设计,同时对霍尔推力器的传导机制、离子束流、陶瓷壁面的腐蚀、放电稳定性、卫星通讯均有不同程度的影响,进而影响推力器的寿命、比冲和效率。由于霍尔推力器中等离子体振荡现象关系到霍尔推力器放电的基础物理过程且与其实际应用息息相关,从霍尔推力器诞生起,关于霍尔推力器中等离子体振荡问题的研究就从未停止过。

  在霍尔推力器的工作过程中,观察到了大规模的放电电流自发振荡,振荡频率主要存在于10~100 kHz 之间,通常所说的霍尔推力器低频振荡,就是指这一振荡。图1 为兰州空间技术物理研究所10 cm 口径霍尔推力器地面性能测试试验时截取的放电电流低频振荡情况,从中可以看出,放电电流振荡较为明显,频率为5~20 KHZ,峰峰值达到了2.6 A。低频振荡幅值比较大,对推力器自身运行特性和电源设计有较大的影响,因此有必要投入很大的时间和精力研究低频振荡问题。

霍尔推力器放电电流低频振荡

图1 霍尔推力器放电电流低频振荡

  研究人员提出各种模型来描述低频振荡,试图阐述低频振荡产生的机理。在描述低频振荡的众多机制当中,伴随着10 kHz~30 kHz 频率范围之内放电电流振荡的呼吸振荡机制无疑最为限制电源的设计。

  目前对霍尔推力器各种振荡模式的物理机理研究中,低频振荡由于其幅值较大,对霍尔推力器放电稳定性和性能等影响较大,因此关于低频振荡的研究最早,成果也比较多。对于低频振荡的起因。同时伴随这通道内原子峰面的移动、离子电流的波动以及电离区位置不稳定。目前,对霍尔推力器中低频放电振荡的物理过程相对比较清晰,但是仍然存在与低频振荡相关的基础物理问题有待解决。对于低频振荡的抑制,可以通过提高推力器缓冲腔内的预电离的方法,降低通道内原子密度和离子密度的变化范围,削弱通道内电离过程的正反馈和负反馈的作用,从而减小低频振荡的幅度;也可通过回路原件(电感、电阻)的实际特性来控制低频振荡。

  4、结论及展望

  霍尔推力器是依靠电磁场对等离子体的作用获得推力进行工作的,因此对于霍尔推力器产生振荡现象是不可避免的。这种低频振荡对霍尔推力器宏观性能、PPU 设计及系统设计的影响较为明显。

  尽管如此,仍存在一些尚需进一步研究的推力器低频振荡问题。比如,外部电路、磁场位形和低频振荡相互影响的问题。通过改变外部电路参数,观察低频振荡变化和外部电路对放电稳定的作用。改变磁场位形的情况下低频振荡如何变化,以及低频振对聚焦磁场位形是否存在破坏作用等。

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