CN101969737A - 一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制装置及方法 - Google Patents

一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制装置及方法，它涉及霍尔推力器等离子体束聚焦技术。它解决了现有的霍尔推力器等离子体束聚焦的实现方法计算、调节复杂，且可控性较差的问题，本发明的装置包括外部供电回路系统、示波器、可变电阻、可调电感和可调电容；本发明的方法包括：首先启动霍尔推力器，并将其调节至稳定放电工作状态；然后启动示波器，并调节其显示比例和扫描时间，使示波器上能够显示出清晰的低频振荡信号；最后调节可变电阻、可调电感和可调电容的大小，使霍尔推力器内电压与电流波动之间的相角差为180°，实现霍尔推力器内等离子体束聚焦，完成霍尔推力器内等离子体束聚焦的控制。本发明适用于霍尔推力器等离子体束聚焦。

Description

一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制装置及方法
技术领域
本发明涉及霍尔推力器等离子体束聚焦技术，具体涉及一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制装置及方法。
背景技术
霍尔推力器(HET)是电推进的一种，HET利用被电场加热的电子电离惰性气体工质，电离产生的等离子体被电场加速喷出，形成高速定向等离子体射流，产生推力。因此，聚焦后形成的高速定向等离子体射流可以提高推力，增大比冲，由于等离子体的定向平行于轴向射出可以减少其与壁面的碰撞进而减小能量损失，降低壁面的腐蚀，延长推力器寿命。因此，霍尔推力器等离子体束的聚焦具有十分重要的作用。
现有的霍尔推力器等离子体束聚焦的主要方法是设计磁场位形，通过磁场来约束等离子体的运动，使其实现聚焦。而实际应用中，磁场位形的设计严重依赖于工质的种类、工作条件，要达到所要求的聚焦效果需要十分复杂的计算及调节，而实际工作过程中调节手段单一，可控性较差。
发明内容
为了解决现有的霍尔推力器等离子体束聚焦的实现方法计算、调节复杂，且可控性较差的问题，本发明提供一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制装置及方法。
本发明的一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制装置，所述控制装置包括所述霍尔推力器的外部供电回路系统、示波器、可变电阻、可调电感和可调电容，所述外部供电回路系统包括第一电源、第一线圈、第二电源、第二线圈、第三电源、第三线圈、第四电源、第五电源、第一电阻、第二电阻和第三电阻，
所述第一电源的两个电源输出端分别与第一线圈的两端连接，所述第二电源的两个电源输出端分别与第二线圈的两端连接，所述第三电源的两个电源输出端分别与第三线圈的两端连接，所述第一线圈和第二线圈沿所述霍尔推力器的通道方向排列，且位于所述通道的通道壁的外侧，其中所述第二线圈位于靠近阴极的一侧；所述第三线圈位于所述霍尔推力器的通道的通道壁的外侧，且与所述第二线圈相对；所述第四电源的一个电源输出端同时与可调电感的第一端和可变电阻的第一端连接，所述可调电感的第二端与所述霍尔推力器的阳极连接，所述可变电阻的第二端与所述霍尔推力器的阳极连接，所述霍尔推理器的阳极还与第三电阻的第一端和可调电容的第一端连接，所述第三电阻的第二端同时与第二电阻的第一端和示波器的电压测量端连接，所述第二电阻的第二端同时与第四电源的另一个电源输出端和所述示波器的公共端连接，所述示波器的公共端还与所述可调电容的第二端和第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端同时与所述示波器的电流测量端、第五电源的一个电源输出端和霍尔推力器的阴极的一端连接，所述霍尔推力器的阴极的另一端与所述第五电源的另一个电源输出端连接。
本发明的一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制方法，所述控制方法是基于上述外回路控制装置实现的，所述控制方法包括如下步骤：
步骤一：启动霍尔推力器，并将其调节至稳定放电工作状态；
步骤二：启动示波器，并调节其显示比例和扫描时间；
步骤三：利用所述示波器监测霍尔推力器内低频振荡信号，并调节可变电阻、可调电感或可调电容，使得霍尔推力器内电压与电流波动之间的相角差为180度，实现霍尔推力器内等离子体束聚焦，即完成霍尔推力器内等离子体束聚焦的控制。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种无需改变霍尔推力器稳态输入参数，而仅通过调节外回路参数(可变电阻阻值、可调电容容值和可调电感的电感值)而实现等离子体束聚焦的外回路控制装置及方法，本发明实施过程简单，操作性强，可控性好，可以有效地实现霍尔推力器内等离子体束的聚焦。
附图说明
图1是本发明的一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制装置的结构示意图，图2是本发明的一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制方法的流程图，图3是本发明的低频振荡信号较小时获得的等离子体束聚焦的形状示意图，图4是本发明的低频振荡信号较大时获得的等离子体束聚焦的形状示意图，图5是本发明的可调电容5的容值为0.1μF时获得的霍尔推力器1内羽流发散半角为11.5°的羽流形态示意图，其中，曲线I表示较小低频振荡信号，曲线II表示电压信号，图6是本发明的可调电容5的容值为1.0μF时获得的霍尔推力器1内羽流发散半角为44.6°的羽流形态示意图，其中，曲线III表示较大低频振荡信号。
具体实施方式
具体实施方式一：根据说明书附图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制装置，所述控制装置包括所述霍尔推力器1的外部供电回路系统、示波器2、可变电阻3、可调电感4和可调电容5，所述外部供电回路系统包括第一电源1-1、第一线圈1-11、第二电源1-2、第二线圈1-21、第三电源1-3、第三线圈1-31、第四电源1-4、第五电源1-5、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3，
所述第一电源1-1的两个电源输出端分别与第一线圈1-11的两端连接，所述第二电源1-2的两个电源输出端分别与第二线圈1-21的两端连接，所述第三电源1-3的两个电源输出端分别与第三线圈1-31的两端连接，所述第一线圈1-11和第二线圈1-21沿所述霍尔推力器1的通道方向排列，且位于所述通道的通道壁的外侧，其中所述第二线圈1-21位于靠近阴极I-的一侧；所述第三线圈1-31位于所述霍尔推力器1的通道的通道壁的外侧，且与所述第二线圈1-21相对；所述第四电源1-4的一个电源输出端同时与可调电感4的第一端和可变电阻3的第一端连接，所述可调电感4的第二端与所述霍尔推力器1的阳极I+连接，所述可变电阻3的第二端与所述霍尔推力器1的阳极I+连接，所述霍尔推理器1的阳极I+还与第三电阻R3的第一端和可调电容5的第一端连接，所述第三电阻R3的第二端同时与第二电阻R2的第一端和示波器2的电压测量端连接，所述第二电阻R2的第二端同时与第四电源1-4的另一个电源输出端和所述示波器2的公共端连接，所述示波器2的公共端还与所述可调电容5的第二端和第一电阻R1的第一端连接，所述第一电阻R1的第二端同时与所述示波器2的电流测量端、第五电源1-5的一个电源输出端和霍尔推力器1的阴极I-的一端连接，所述霍尔推力器的阴极I-的另一端与所述第五电源1-5的另一个电源输出端连接。
本实施方式中，通过调节所述可变电阻3、可调电感4和可调电容5，实现低频振荡，进而实现霍尔推力器中等离子体束聚焦。
本实施方式中，利用上述外回路参数(可变电阻3、可调电感4和可调电容5)的调节控制电离过程(主要是控制电离位置)，进而实现等离子体束的聚焦。
本实施方式中，示波器2的型号为TDS2014。
具体实施方式二：根据说明书附图2具体说明本实施方式，本实施方式是基于具体实施方式一所述的外回路控制装置的一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
步骤一：启动霍尔推力器1，并将其调节至稳定放电工作状态；
步骤二：启动示波器2，并调节其显示比例和扫描时间；
步骤三：利用所述示波器2监测霍尔推力器1内低频振荡信号，并调节可变电阻3、可调电感4或可调电容5，使得霍尔推力器1内电压与电流波动之间的相角差为180度，实现霍尔推力器内等离子体束聚焦，即完成霍尔推力器1内等离子体束聚焦的控制。
本实施方式中，通过调节可变电阻3、可调电阻4或可调电容5，使得霍尔推力器1内电压与电流波动之间的相角差为180度，进而可以减小所述霍尔推力器1内低频振荡信号的幅值与其均值的比值到小于10％，实现霍尔推力器内等离子体束聚焦。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二的进一步说明，具体实施方式二在步骤一中所述的霍尔推力器1的稳定放电工作状态为：放电电压为400V，阳极I+供气流量为3mg/s，磁场位形固定。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式二或三的进一步说明，具体实施方式二或三在步骤二中，调节示波器2的显示比例为250μs/格，扫描时间为2500μs。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式二、三或四的进一步说明，具体实施方式二、三或四在步骤三中，调节可变电阻3的阻值至100Ω，可调电容5的容值至0.1μF，并调节可调电感4的电感值至200mH。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式二、三或四的进一步说明，具体实施方式二、三或四在步骤三中，调节可变电阻3的阻值至100Ω，可调电感4的电感值至35mH，并调节可调电容5的容值至2.0μF。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式二、三或四的进一步说明，具体实施方式二、三或四在步骤三中，调节可调电容5的容值至2.0μF，可调电感4的电感值至35mH，并调节可变电阻3的阻值至1000Ω。
本实施方式中，根据图3、图4、图5和图6可以看出，随着低频放电振荡的增加，霍尔推力器1等离子体束聚焦程度变差，羽流发散半角增大。
本实施方式中的低频振荡信号的频率为20-30KHZ。本实施方式的基本思想是在已经确定的磁场位形、供气流量、放电电压等稳态参数的前提下，监测霍尔推力器1内低频振荡(低频振荡是电离过程的一种重要表现，在一定程度上可以反映电离过程)，在此基础上，调节霍尔推力器1外回路参数(可变电阻3、可调电感4和可调电容5)改变霍尔推力器1上电流和电压的相位关系，使其尽可能接近反相位(理想状态为完全反相位)进而减小电流的波动，稳定霍尔推力器1通道内工质电离的过程，控制霍尔推力器1内等离子体产生的位置，使其集中在磁透镜的焦点上，从而实现在已有的给定磁场位形下的等离子体束聚焦和平直射流。

Claims (7)

1.一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制装置，其特征在于所述控制装置包括所述霍尔推力器(1)的外部供电回路系统、示波器(2)、可变电阻(3)、可调电感(4)和可调电容(5)，所述外部供电回路系统包括第一电源(1-1)、第一线圈(1-11)、第二电源(1-2)、第二线圈(1-21)、第三电源(1-3)、第三线圈(1-31)、第四电源(1-4)、第五电源(1-5)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，
所述第一电源(1-1)的两个电源输出端分别与第一线圈(1-11)的两端连接，所述第二电源(1-2)的两个电源输出端分别与第二线圈(1-21)的两端连接，所述第三电源(1-3)的两个电源输出端分别与第三线圈(1-31)的两端连接，所述第一线圈(1-11)和第二线圈(1-21)沿所述霍尔推力器(1)的通道方向排列，且位于所述通道的通道壁的外侧，其中所述第二线圈(1-21)位于靠近阴极(I-)的一侧；所述第三线圈(1-31)位于所述霍尔推力器(1)的通道的通道壁的外侧，且与所述第二线圈(1-21)相对；所述第四电源(1-4)的一个电源输出端同时与可调电感(4)的第一端和可变电阻(3)的第一端连接，所述可调电感(4)的第二端与所述霍尔推力器(1)的阳极(I+)连接，所述可变电阻(3)的第二端与所述霍尔推力器(1)的阳极(I+)连接，所述霍尔推理器(1)的阳极(I+)还与第三电阻(R3)的第一端和可调电容(5)的第一端连接，所述第三电阻(R3)的第二端同时与第二电阻(R2)的第一端和示波器(2)的电压测量端连接，所述第二电阻(R2)的第二端同时与第四电源(1-4)的另一个电源输出端和所述示波器(2)的公共端连接，所述示波器(2)的公共端还与所述可调电容(5)的第二端和第一电阻(R1)的第一端连接，所述第一电阻(R1)的第二端同时与所述示波器(2)的电流测量端、第五电源(1-5)的一个电源输出端和霍尔推力器(1)的阴极(I-)的一端连接，所述霍尔推力器的阴极(I-)的另一端与所述第五电源(1-5)的另一个电源输出端连接。
2.基于权利要求1所述的外回路控制装置的一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制方法，其特征在于所述控制方法包括如下步骤：
步骤一：启动霍尔推力器(1)，并将其调节至稳定放电工作状态；
步骤二：启动示波器(2)，并调节其显示比例和扫描时间；
步骤三：利用所述示波器(2)监测霍尔推力器(1)内低频振荡信号，并调节可变电阻(3)、可调电感(4)或可调电容(5)，使得霍尔推力器(1)内电压与电流波动之间的相角差为180度，实现霍尔推力器内等离子体束聚焦，即完成霍尔推力器(1)内等离子体束聚焦的控制。
3.根据权利要求2所述的一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制方法，其特征在于在步骤一中所述的霍尔推力器(1)的稳定放电工作状态为：放电电压为400V，阳极(I+)供气流量为3mg/s，磁场位形固定。
4.根据权利要求3所述的一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制方法，其特征在于在步骤二中，调节示波器(2)的显示比例为250μs/格，扫描时间为2500μs。
5.根据权利要求3或4所述的一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制方法，其特征在于在步骤三中，调节可变电阻(3)的阻值至100Ω，可调电容(5)的容值至0.1μF，并调节可调电感(4)的电感值至200mH。
6.根据权利要求3或4所述的一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制方法，其特征在于在步骤三中，调节可变电阻(3)的阻值至100Ω，可调电感(4)的电感值至35mH，并调节可调电容(5)的容值至2.0μF。
7.根据权利要求3或4所述的一种实现霍尔推力器等离子体束聚焦的外回路控制方法，其特征在于在步骤三中，调节可调电容(5)的容值至2.0μF，可调电感(4)的电感值至35mH，并调节可变电阻(3)的阻值至1000Ω。
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