霍尔推力器放电电流低频振荡特性及性能的仿真研究

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1、硕士学位论文霍尔推力器放电电流低频振荡特性及性能的仿真研究SIMULATERESEARCHONPERFORMANCEANDLOW-FREQUENCYOSCILLATIONOFTHEDISCHARGECURRENTINHALLTHRUSTER哈尔滨工业大学国内图书分类号：V439+.2学校代码：国际图书分类号：密级：公开工学硕士学位论文霍尔推力器放电电流低频振荡特性及性能的仿真研究硕士研究生：导师：超教授申请学位：工学硕士学科：化工过程机械所在单位：能源科学与工程学院答辩日期2月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TK472U.D.C:621.43

2、8DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSIMULATERESEARCHONPERFORMANCEANDLOW-FREQUENCYOSCILLATIONOFTHEDISCHARGECURRENTINHALLTHRUSTERCandidate：LiZhaozhongSupervisor：Prof.WangQingchaoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ChemicalProcessEquipmentAffiliation：SchoolofEnerg

3、yScienceandEngineeringDateofDefence：July,2013Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要霍尔推力器具有体积小、比冲适中、效率高以及寿命长等优点，主要应用于航天飞行器的姿态控制、位置保持以及轨道调整等任务，愈来愈受到各航天大国的青睐。但是在霍尔推力器实际运行过程中，其与实验中放电回路中存在大幅值的频率在几十kHz范围内的放电电流低频振荡现象。放电电流振荡幅值通常几安培范围内的变化，就会导致几十伏的放电电压变化。电压的波动会对

4、航天器的电源产生不良的影响，甚至可能影响到推力器的寿命和性能，严重时甚至导致推力器熄火，因此霍尔推力器低频振荡现象一直是世界各研究机构关注的热点问题之一。本文针对霍尔推力器运行过程中放电电流的低频振荡开展相关模拟研究工作，研究了低频振荡与推力器性能、壁面腐蚀以及放电外回路的关系。以低频振荡产生的微观机理研究为基础，提出了抑制低频振荡的办法；在宏观上对具有隔离振荡作用的滤波结构参数进行了优化研究。首先，完善和改进了Morozov的一维准中性流体模型。改进后的模型，增加了反映推力器性能的推力、比冲及效率等性能参数模块，优化了外回路设计，使模型能够全面考虑不同的外回路结构和参

5、数，并能够模拟推力器不同励磁模式：自励模式和单独励磁模式；其次，通过模拟对比分析了自/单独励磁模式下放电电流低频振荡，研究了通道内电子的运动和电离锋面的移动特性，阐述了低频振荡产生和抑制的机理。提出了在励磁电流中附加与低频振荡频率相同并具有一定振幅的交变电流分量的低频振荡抑制方法，模拟结果显示，该方法能够降低电离锋面在通道内的移动范围，进而大幅降低放电电流低频振荡；第三，为考察放电工作过程中放电回路大幅值的电流与电压变化，对直流稳压放电电源的影响，本文利用控制变量法对具有隔离滤波作用的放电外回路的参数进行了仿真优化设计，给出了外回路优化设计参数。在该参数条件下能够保证电

6、源安全工作，并使低频振荡得到抑制，为推力器实际运行中的优化设计提供了理论支持；最后，研究了推力器寿命中末期通道壁面的腐蚀等因素对其性能及低频振荡的影响。通过模拟给出了推力器设计初期和寿命末期低频振荡特性的差异，并面向航天应用分析了寿命期内抑制低频振荡外回路参数的设计裕度问题，为保证推力器在寿命期内稳定运行提供了相关设计参考。关键词：霍尔推力器；低频振荡；抑制方法；放电外回路；优化设计V哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWithadvantagesofsmallsize,specific,highefficiencyandlonglifetimetheHall

7、Thrusterismainlyusedinthetaskofspacecraftattitudecontrolling,stationkeepingandorbitaladjustmentandsoon.Thereforehallthrustersareincreasinglyfavoredbyallspacepowers.However,lowfrequencyoscillationofthedischargecurrentwithintensofkHzfrequencyisalwaysobservedinactualoperatio