一種基於電子源熱調節的霍爾推力器在軌增效和穩定方法與流程
2023-05-02 05:24:41 2
本發明涉及提高航天電推進霍爾推力器效率的方法。
背景技術：
霍爾推力器是一種廣泛應用的等離子體推進裝置。它的主要特點是內部有較強電場。該電場通過氣體放電電離中性氣體，生成的帶電荷的重粒子會在電場力的作用下加速噴出霍爾推力器。整個電離-加速所產生的反作用力(推力)被用於各種太空飛行器的位置保持、軌道轉移等。
研究發現，霍爾推力器的一個子部件——空心陰極對整機的推力有顯著影響，其中的一種機制是通過改變粒子的加速電壓來改變整機的推力。整機推力和粒子加速電壓之間的關係為：
式中，F為粒子加速產生的推力，單位為N；
為推進劑質量流量，單位為kg/s；
Z為粒子帶的電荷數；Z>＝1；
e為電子電荷，等於1.6X10-19C；
Vacc為粒子加速電壓，單位為V；
Mi為粒子質量，單位為kg；
Ud為電源輸出的放電電壓(恆壓)，單位為V；
Δ為將中性原子電離需要付出的電壓損失，單位為V；
Ucp——電子從陰極輸運到加速管所需要的電壓損失，單位為V；
改變陰極加速電壓是通過改變Ucp間接實現的。Ucp有兩個功能，一是將一部分電子輸運到加速管內部，不斷為加速管內部的電離提供「種子」；二是將另一部分電子輸運到噴出的離子束流中，以滿足等離子體的準中性屬性。由於電源輸出電壓是有限且恆定的，Ucp這種與重粒子加速無關的損失越小，則對於加速有實際貢獻的電壓就越大。
目前已知的Ucp包含兩個部分：Ucp＝Us+Up；
式中，Us為將電子從陰極表面引出至陰極鞘層邊緣需要的壓降，單位為V；Up為將電子從鞘層邊緣輸運到離子流需要的壓降，單位為V；
根據經典的電子熱發射理論：
式中，ε0為真空介電常數，等於8.85X10-12F；
e為電子電荷，等於1.6X10-19C；
k為玻爾茲曼常數，等於1.38*1023m2kg s-2K-1；
Te為電子溫度，單位為K；
ne為等離子體密度，單位為1/m3；
為熱電子發射功函，單位為J；
S為陰極表面積，單位為m2；
A為Richardson-Dushman係數；
T為陰極表面溫度，單位為K；
Jp為總共發射電子電流值，單位為A；
霍爾推力器穩定工作時，Jp一般是恆定的。於是Us就與陰極表面溫度有關，而後者是可控的。實際上，目前在軌使用的陰極都附帶有一個加熱元件(熱子)，其功能是在需要點火時把陰極加熱到較高溫度，以降低點火擊穿所需的電壓和推進劑流量。點火後，因為等離子體放電自身會加熱陰極，所以要關閉熱子的加熱電流，從而節約能源。
霍爾推力器有一個弊端，就是交付後的在軌工作狀態會偏離地面設計值，給整個太空飛行器系統的運行造成了很多麻煩。其成因主要有兩點：一是工作環境(環境溫度、背景氣壓等)發生了改變，導致等離子體自身發生改變；二是隨著年限推移，由於等離子體對推力器內部各部件的濺射腐蝕，導致一些關鍵尺寸偏離最初的設計值，性能一般都會出現嚴重的退化。目前，對於這種「上天后變卦，年頭久變卦」的問題，其實並沒有成熟的解決方法。
面對這些設計時無法把握的變量，霍爾推力器實際上需要在軌增效和維穩的後備措施。在軌調節輸入參數(如推進劑流量、電源輸出電壓、生成磁場的勵磁電流等)是可行的，但這些都是全局性的調整，其後果往往無法預估。
技術實現要素：
本發明的目的是為了提高航天電推進霍爾推力器效率和穩定性，從而提供一種基於電子源熱調節的霍爾推力器在軌增效和穩定方法。
本發明所述的一種基於電子源熱調節的霍爾推力器在軌增效和穩定方法，包括：
點火時，熱子正反饋加熱發射體；
在軌增效時，熱子負反饋加熱發射體。
優選的是，該方法基於分流電路實現，所述分流電路包括：恆流源、可變電阻和熱子；
可變電阻和熱子並聯，組成並聯支路，該並聯支路與恆流源串聯；
點火時，R21＞＞R1，R21為點火時可變電阻的阻值，R1為熱子的阻值；
在軌增效時，R22＜＜R1，R22為在軌增效時可變電阻的阻值。
優選的是，確定R21和R22的方法，包括以下步驟：
步驟一、使霍爾推力器運行，將可變電阻斷路，根據發動機變工況範圍和條件，確定陰極放電電流Ic的變化範圍；在不同陰極放電電流Ic下，確定能夠實現束聚焦且振蕩最小的無可變電阻時的最優加熱電流Ih；
步驟二、對陰極進行單獨測試，在不同陰極放電電流Ic下，給熱子通入無可變電阻時的最優加熱電流Ih，調節可變電阻的阻值，尋找陰極溫度失飽和時的可變電阻的阻值R20，作為正、負反饋平衡點；
步驟三、根據恆流源所允許的輸出電流範圍，選取可變電阻的下限；根據可變電阻的等級，選取可變電阻的上限；上限和下限均在0.1R20～10R20的範圍內；
步驟四、使霍爾推力器運行，可變電阻的下限和上限分別為步驟三得到的可變電阻的下限和上限，在不同陰極放電電流Ic下，確定能夠實現束聚焦且振蕩最小的有可變電阻時的最優加熱電流Ih1；
步驟五、對陰極進行單獨測試，在不同陰極放電電流Ic下，給熱子通入有分流電阻時的最優加熱電流Ih1，調節可變電阻的阻值，尋找陰極溫度失飽和時的可變電阻的阻值R20，作為新的正、負反饋平衡點；
不斷重複步驟三至步驟五，直至最優加熱電流Ih1、可變電阻的下限和可變電阻的上限均收斂，且本次數值和上次數值的差值在預先設定的範圍內；可變電阻的下限和上限分別對應R22和R21。
本發明充分利用被閒置的熱子，從陰極鞘層範圍內的局部著眼進行調節。利用熱發射與場發射相互補償的特性，用熱子加熱發射體，降低陰極電勢降。提高了航天電推進霍爾推力器的效率和穩定性。實現了100s的比衝增量和6％的效率增量，相對於傳統的化學推進的總共200-300s的比衝和20-30％的效率，這些都是很高的數值。本發明適用於提高航天電推進霍爾推力器效率和穩定性。
附圖說明
圖1是具體實施方式一中的空心陰極的結構示意圖；
4為隔熱罩，5為發射體，6為陰極管，7為推進劑，8為孔板，9為觸持極，10為加熱器；
圖2是具體實施方式一中的不同熱子加熱功率下的Us曲線圖；
圖3是具體實施方式一中的不同熱子加熱功率下的推力增量ΔF曲線圖；
圖4是具體實施方式一中的不同熱子加熱功率下的比衝增量ΔIsp曲線圖；
圖5是具體實施方式一中的不同熱子加熱功率下的效率增量曲線圖；
圖6是具體實施方式二中的分流電路的原理示意圖。
具體實施方式
具體實施方式一：結合圖1至圖5具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種基於電子源熱調節的霍爾推力器在軌增效和穩定方法，包括：
點火時，熱子正反饋加熱發射體；
在軌增效時，熱子負反饋加熱發射體。
圖2至圖5分別為不同熱子加熱功率下的Us、推力增量ΔF、比衝增量ΔIsp和效率增量曲線圖。比衝Isp，效率η，圖2為實際測得的曲線，圖3至圖5中Exp指實際測得的曲線，Cal為理論計算的曲線。可以看出，隨著熱子加熱功率增加，Us逐漸減小，有效加速電壓逐漸升高，推力增加，相應的比衝和效率都持續升高。實現了100s的比衝增量和6％的效率增量，相對於傳統的化學推進總共200-300s的比衝和20-30％的效率，這些都是很高的數值。該結果證實了通過電子源熱調節來實現增效和穩定的可行性和顯著性。
空心陰極的結構如圖1所示，發射體(電子熱發射材料)位於陰極管內的端部。陰極管主要用於控制推進劑的流動。熱子(加熱器)一般螺旋纏繞在陰極管外圍對應發射體的位置，儘可能的直接加熱。為了減少熱損失，在熱子外圍還包裹有隔熱罩。
熱子現有的供電方法一般是恆流加熱。這種方法有一個特性，就是加熱功率會隨溫度升高越來越大。原因在於加熱絲的阻值隨溫度升高會逐漸增大。該正反饋特性在點火時是有益的，因為它可以快速積累起加熱功率；但在在軌增效時，這種特性是有害的，因為可能控制不住最終的溫度。但是，在熱子普遍使用恆流加熱的技術背景下，暫時不允許更改其他電源。因此在點火時，熱子正反饋加熱發射體；在軌增效時，熱子負反饋加熱發射體。
具體實施方式二：結合圖6具體說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式一所述的一種基於電子源熱調節的霍爾推力器在軌增效和穩定方法作進一步說明，本實施方式中，該方法基於分流電路實現，所述分流電路包括：恆流源1、可變電阻2和熱子3；
可變電阻2和熱子3並聯，組成並聯支路，該並聯支路與恆流源1串聯；
點火時，R21＞＞R1，R21為點火時可變電阻2的阻值，R1為熱子3的阻值；
在軌增效時，R22＜＜R1，R22為在軌增效時可變電阻2的阻值。
使用分流電路來實現在正反饋到負反饋之間的自由切換，可變電阻2的阻值為R2，熱子3上的焦耳熱功率為：
其中，I為恆流源輸出的電流，單位為A；P為熱子焦耳熱功率，單位為W。
可以看出：
當R2＞＞R1時，
當R2＜＜R1時，
當R2＝R1時，
所以，當可變電阻2的阻值從R2R1到R2＜＜R1過程中，P從逐漸過渡為即從正反饋過渡為負反饋特性，反之亦然。利用這個規律，可以在點火時可變電阻設置較大的阻值，構造正反饋的加熱；在軌增效時可變電阻切換到較小的阻值，構造負反饋的加熱，以穩住陰極溫度。
本實施方式通過調節熱子功率優化霍爾推力器性能(推力、效率、穩定性等)，通過分流電路防止陰極熱失穩(溫度、放電等)。
具體實施方式三：本實施方式是對具體實施方式二所述的一種基於電子源熱調節的霍爾推力器在軌增效和穩定方法作進一步說明，本實施方式中，確定R21和R22的方法，包括以下步驟：
步驟一、使霍爾推力器運行，將可變電阻2斷路，根據發動機變工況範圍和條件，確定陰極放電電流Ic的變化範圍；在不同陰極放電電流Ic下，確定能夠實現束聚焦且振蕩最小的無可變電阻時的最優加熱電流Ih；
步驟二、對陰極進行單獨測試，在不同陰極放電電流Ic下，給熱子通入無可變電阻時的最優加熱電流Ih，調節可變電阻2的阻值，尋找陰極溫度失飽和時的可變電阻2的阻值R20，作為正、負反饋平衡點；
步驟三、根據恆流源所允許的輸出電流範圍，選取可變電阻2的下限；根據可變電阻的等級，選取可變電阻2的上限；上限和下限均在0.1R20～10R20的範圍內；
步驟四、使霍爾推力器運行，可變電阻2的下限和上限分別為步驟三得到的可變電阻2的下限和上限，在不同陰極放電電流Ic下，確定能夠實現束聚焦且振蕩最小的有可變電阻時的最優加熱電流Ih1；
步驟五、對陰極進行單獨測試，在不同陰極放電電流Ic下，給熱子通入有分流電阻時的最優加熱電流Ih1，調節可變電阻2的阻值，尋找陰極溫度失飽和時的可變電阻2的阻值R20，作為新的正、負反饋平衡點；
不斷重複步驟三至步驟五，直至最優加熱電流Ih1、可變電阻2的下限和可變電阻2的上限均收斂，且本次數值和上次數值的差值在預先設定的範圍內；可變電阻2的下限和上限分別對應R22和R21。
通過改變可變電阻2的匝數、材料等優化阻值。
對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。
雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發明，但是應該理解的是，這些實施例僅僅是本發明的原理和應用的示例。因此應該理解的是，可以對示例性的實施例進行許多修改，並且可以設計出其他的布置，只要不偏離所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍。應該理解的是，可以通過不同於原始權利要求所描述的方式來結合不同的從屬權利要求和本文中所述的特徵。還可以理解的是，結合單獨實施例所描述的特徵可以使用在其他所述實施例中。