高电压霍尔推力器能量损失分析及改进

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1、硕士学位论文高电压霍尔推力器能量损失分析及改进POWERLOSSANALYSISANDIMPROVEMENTOFHIGHVOLTAGEHALLTHRUSTER刘星宇哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V439+.2学校代码：10213国际图书分类号：621.455密级：公开工学硕士学位论文高电压霍尔推力器能量损失分析及改进硕士研究生：刘星宇导师：于达仁教授申请学位：工学硕士学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V439+

2、.2U.D.C:621.455DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringPOWERLOSSANALYSISANDIMPROVEMENTOFHIGHVOLTAGEHALLTHRUSTERCandidate：LIUXingyuSupervisor：Prof.YUDarenAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：AerospaceScienceandTechnologyAffiliation：Schoolof

3、AeronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着电源技术的发展和全电推进卫星平台的提出，现阶段对大功率、高比冲发动机需求不断增加。提高霍尔推力器比冲最有效的方法是提高放电电压，然而一般传统的霍尔推力器在高电压下的性能大幅下降，推力器设计存在高比冲和高效率的折中问题，因此研究高电压下霍尔推力器效率下降的主要原因对高电压推力器设计具有重要意义。本文主

4、要工作如下：首先，针对放电通道内的壁面热沉积进行实验研究。利用热平衡状态下的热流分析，通过壁面测温的方式对壁面热流进行诊断。对比发现高低电压下壁面热流随放电电压变化规律的差异，并解释了其原因。同时通过磁场外推显著减小了壁面热流，为高电压推力器优化奠定基础。此外，首次提出了一种新的探针诊断思想用于区分壁面热流中电子热流及离子热流的贡献，并利用热仿真对其理论可行性进行验证。其次，对阳极热沉积进行实验研究。利用阳极关机瞬间的热动态特性并基于集中参数法假设，通过测量阳极关机后的温度下降速率反推推力器工作期间阳极热流。研究放

5、电电压、磁场强度、放电电流等参数对阳极热流的影响规律，并简要分析其机理，探索减小阳极热流的优化方法，为高电压推力器阳极热过程优化提供依据。再次，以霍尔推力器能量转化过程中能量形式和最终的作用对象为分类标准，建立合理的能量损失体系，并给出各项损失的实验评估方法。利用实验手段研究主要能量损失特性及随放电电压的变化规律，找出占据主导地位的能量损失机制。最终发现了高低电压下能量损失特性的差异，找到了限制高电压霍尔推力器效率的主要能量转化过程，为下一步高电压霍尔推力器优化设计指明了方向。最后，对HEP-100HV霍尔推力器进

6、行改进，主要包括放电通道形貌优化以及磁场外推的磁场优化，并利用实验验证其在变截面通道并配合磁场外推的结构下的性能及放电特性。拓宽了推力器的稳定工作区间，最终实现了900V电压下长时间稳定工作，并且没有出现过热现象，同时羽流边界更加清晰，接近磁聚焦模式，阳极比冲达到3467s，阳极效率64.8%，与国际上典型高电压霍尔推力器相比可在更高的电压下高效率放电。关键词：霍尔推力器；高电压；能量损失分析；壁面热流；优化-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofpowertec

7、hnologyandtheproposalofallelectricpropulsionsatelliteplatform,thedemandforhighpowerandhighspecificimpulseenginesisincreasingatthisstage.ThemosteffectivewaytoimprovethespecificimpulseofHallthrusteristoimprovethedischargevoltage.However,theperformanceofthetradit

8、ionalHallthrusterisgreatlyreducedathighvoltage,andthedesignofthethrusterhastoweighhighspecificimpulseandhighefficiency.Therefore,themainreasonforthedeclineoftheHallthrusterefficien