CN102711354A - 一种应用于双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制方法 - Google Patents

一种应用于双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制方法 Download PDF

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Abstract

一种应用于双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制方法，涉及一种控制方法。为了解决双级霍尔推力器电离和加速过程有相对独立调节控制的特点，使其磁场耦合问题严重突出，导致对任何一级的控制操作会严重的影响另一级的问题。它包括：对待控制的势阱式双级霍尔推力器的磁路用FEMM进行建模：势阱式霍尔推力器包括4个励磁线圈；根据电离级产生的磁通量为零的思想，得到电离级的两个励磁线圈的电流比，再调节所述的两个励磁线圈的电流，使电离级产生最大值150～200G的磁感应强度，再调节加速级的两个励磁线圈的电流，直到势阱式双级霍尔推力器维持放电。它用于对双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制。

Description

一种应用于双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制方法，特别涉及一种应用于双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制方法。
背景技术
电推进是一项利用电能离解和加速工质，使其形成高速的等离子体射流而产生推力的技术。与化学推进相比，具有比冲高、推力小、能重复启动、重量轻和寿命长等特点，因而可以用作航天器的姿态控制、轨道转移和提升、轨道修正、阻力补偿、位置保持、离轨处理、宇宙探测和星际航行等任务。第一代霍尔推力器(SPT)等电推进装置的在轨应用，标志着航天推进系统的电推进改革，化学推进最终将由发展成熟的电推进所取代。但第一代霍尔推力器也在实际应用中也暴露出了一些问题，如利用工质单一且稀少、等离子射流发散角大、推力器变工况范围窄等。由此发展出了双级霍尔推力器设计技术，将推力器的电离和加速过程独立控制。这样可针对于电离级进行多种工质的高效电离问题的研究，有利于发展多种工质的推力器；又可相对独立的对加速级等离子体定向射流控制问题进行研究，可实现推力器在轨的两个主要工作模式：变轨(大质量流量，大推力，F模态)和姿态控制(小质量流量，高比冲，I模态)两种相对独立的工况下都能稳定、高效运行的目标。而且这样的设计在其放电电流和电压的震荡、推力器羽流控制和工质的电离效率等方面都有优秀的表现。
双级霍尔推力器的典型代表有微波电离式、发射电极式和势阱式，其共同特点是由于结构的复杂化导致磁场控制的耦合问题严重。又由于双级霍尔推力器在工作原理上电离和加速过程有相对独立调节控制的特点，使其磁场耦合问题严重突出，如不解决该问题将使得对任何一级的控制操作会严重的影响另一级，产生的联合现象也不利于对双级霍尔推力器试验的影响因素分析研究。
发明内容
本发明目的是为了解决双级霍尔推力器电离和加速过程有相对独立调节控制的特点，使其磁场耦合问题严重突出，导致对任何一级的控制操作会严重的影响另一级的问题，提出了一种应用于双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制方法。
本发明的一种应用于双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制方法，所述控制方法的控制对象为势阱式双级霍尔推力器，它包括如下步骤：
步骤一：对待控制的势阱式双级霍尔推力器的磁路用FEMM进行建模：
所述势阱式双级霍尔推力器的励磁线圈包括加速级第一励磁线圈、加速级第二励磁线圈、电离级第三励磁线圈和三个电离级第四励磁线圈，其中三个电离级第四励磁线圈采用串联的工作模式；
步骤二：根据电离级第三励磁线圈的匝数N3、三个电离级第四励磁线圈的匝数N4和零磁通量公式N3I3+N4I4＝0的条件，得到电离级第三励磁线圈的电流I3与电离级第四励磁线圈的I4的比例；
步骤三：根据电离级第三励磁线圈的电流I3与电离级第四励磁线圈的I4的比例，调节电离级第三励磁线圈和电离级第四励磁线圈的电流，使电离级产生最大值150～200G的磁感应强度；再调节加速级第一励磁线圈和加速级第二励磁线圈的电流，直到势阱式双级霍尔推力器维持放电。
本发明还提供了一种应用于双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制方法，
所述控制方法的控制对象为势阱式双级霍尔推力器，所述势阱式双级霍尔推力器的电离级第三励磁线圈的匝数N3与三个电离级第四励磁线圈的匝数N4相等；
所述控制方法包括如下步骤：
步骤一：对待控制的势阱式双级霍尔推力器的磁路用FEMM进行建模：
所述势阱式双级霍尔推力器的励磁线圈包括加速级第一励磁线圈、加速级第二励磁线圈、电离级第三励磁线圈和三个电离级第四励磁线圈，其中三个电离级第四励磁线圈采用串联的工作模式；
步骤二：根据电离级第三励磁线圈的电流I3与电离级第四励磁线圈的I4的比例，调节电离级第三励磁线圈和电离级第四励磁线圈的电流，使电离级产生最大值150～200G的磁感应强度；再调节加速级第一励磁线圈和加速级第二励磁线圈的电流，直到势阱式双级霍尔推力器维持放电。
本发明的优点在于：在势阱式双级霍尔推力器上应用解耦合的励磁方法，可在不影响加速区工作状态的情况下控制电离区的电离度；也可在不影响电离区电离状态的情况下调节加速区的加速效果，即实现电离级和加速级的独立调节，满足势阱式双级霍尔推力器实验和工作过程对磁场环境的要求，避免了工作过程中的耦合现象。
附图说明
图1为本发明的势阱式双级霍尔推力器结构示意图。5为磁力线，6为励磁线圈，7为电离阳极，8为加速阳极，9为阴极。
图2为本发明的势阱式双级霍尔推力器的在FEMM计算中磁路的二维模型。A为电离区磁场，B为加速区磁场。
图3为采用本发明所述的一种应用于双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制方法的双级霍尔推力器的磁场解耦合控制的实验效果图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本发明的一种应用于双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制方法，它包括如下步骤：
步骤一：对待控制的势阱式双级霍尔推力器的磁路用FEMM进行建模：
所述势阱式双级霍尔推力器的励磁线圈包括加速级第一励磁线圈1、加速级第二励磁线圈2、电离级第三励磁线圈3和三个电离级第四励磁线圈4，其中三个电离级第四励磁线圈4采用串联的工作模式；
步骤二：根据电离级第三励磁线圈3的匝数N3、三个电离级第四励磁线圈4的匝数N4和零磁通量公式N3I3+N4I4＝0的条件，得到电离级第三励磁线圈3的电流I3与电离级第四励磁线圈4的I4的比例；
步骤三：根据电离级第三励磁线圈3的电流I3与电离级第四励磁线圈4的I4的比例，调节电离级第三励磁线圈3和电离级第四励磁线圈4的电流，使电离级产生最大值150～200G的磁感应强度；再调节加速级第一励磁线圈1和加速级第二励磁线圈2的电流，直到势阱式双级霍尔推力器维持放电。
本发明的一种应用于双级霍尔推力器磁场解耦合控制的方法，依托于双级霍尔推力器的磁场耦合问题来说明。通过对所述推力器的磁路耦合关系进行分析，发现当电离级的磁场变化时，在包围电离区的加速级磁路中产生了总的磁通量的变化，这样势必会对加速区的磁场强度和位形都产生相应的影响。根据电磁场理论的比奥萨法尔定律，发现加速区的磁场条件受电离区和加速区励磁源的综合作用影响，要想保证加速级的磁场条件最大限度的不受电离级的磁场变化所影响，我们就要保证电离级的磁场变化时在加速级的磁回路中产生的总磁通量为零，我们将之称为“局部零磁通量”设计法，大幅度降低双级霍尔推力器电离级和加速级之间的磁场耦合影响。在理论上总结出了双级霍尔推力器磁场解耦合控制的励磁线圈设计原则：
Figure BDA00001690913700041
其中i到n表示控制电离区磁场强度的线圈编号。
FEMM(Finite Element Method Magnetics)为电磁场二维有限元分析软件。
现有的对双级霍尔推力器磁场解耦合控制的方法存在双级霍尔推力器磁场解耦合控制的方法采用对加速级进行控制的技术偏见，本发明采用的是控制电离级的磁场变化时在加速级的磁回路中产生的总磁通量为零的方法，克服了现有技术中存在的技术偏见。
图2中电离级与加速级的磁场的耦合关系为：
电离区的磁场主要受电离级第三励磁线圈3工作的影响，但是电离级第三励磁线圈3的工作同样对加速级的磁场产生强烈影响。若将推力器的磁环分为两级，那么电离区主要受电离级第三励磁线圈3影响，加速区受加速级第一励磁线圈1、加速级第二励磁线圈2、电离级第三励磁线圈3和三个电离级第四励磁线圈4的综合影响。这样可应用的解耦合条件为：
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种应用于双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制方法不同的是，步骤三中调节加速级第一励磁线圈1、加速级第二励磁线圈2、电离级第三励磁线圈3和三个电离级第四励磁线圈4的电流时，满足加速级第一励磁线圈1、加速级第二励磁线圈2和三个电离级第四励磁线圈4的电流方向相同，且与电离级第三励磁线圈3的电流方向相反。
针对该推力器在调解时应时时满足：
Figure BDA00001690913700043
该情况下的实际磁场控制效果如图3所示。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种应用于双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制方法的进一步限定，步骤二中得到电离级第三励磁线圈3的电流I3与电离级第四励磁线圈4的I4的比例后，利用高斯计测量的方法对电离级是否产生零磁通量的效果进行采样校验，根据测得实际工作中加速区磁场强度为零时的电流比例，对所述得到的电离级第三励磁线圈3的电流I3与电离级第四励磁线圈4的I4的比例做相应的修正。
主要验证在计算的N3I3+N4I4＝0电流比例下，加速区是否基本无磁场，保证推力器磁场解耦合控制的实际效果。这样可最大限度的减小电离区和加速区磁场变化间的相互影响。
具体实施方式四：本实施方式所述的一种应用于双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制方法，
所述控制方法的控制对象为势阱式双级霍尔推力器，所述势阱式双级霍尔推力器的电离级第三励磁线圈3的匝数N3与三个电离级第四励磁线圈4的匝数N4相等；
所述控制方法包括如下步骤：
步骤一：对待控制的势阱式双级霍尔推力器的磁路用FEMM进行建模：
所述势阱式双级霍尔推力器的励磁线圈包括加速级第一励磁线圈1、加速级第二励磁线圈2、电离级第三励磁线圈3和三个电离级第四励磁线圈4，其中三个电离级第四励磁线圈4采用串联的工作模式；
步骤二：根据电离级第三励磁线圈3的电流I3与电离级第四励磁线圈4的I4的比例，调节电离级第三励磁线圈3和电离级第四励磁线圈4的电流，使电离级产生最大值150～200G的磁感应强度；再调节加速级第一励磁线圈1和加速级第二励磁线圈2的电流，直到势阱式双级霍尔推力器维持放电。
最后在双级推力器上应用解耦合的励磁方法，可在不影响加速区工作状态的情况下控制电离区的电离度；也可在不影响电离区电离状态的情况下调节加速区的加速效果，即实现电离级和加速级的独立调节，避免了工作过程中的耦合现象。

Claims (4)

1.一种应用于双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制方法，其特征在于，所述控制方法的控制对象为势阱式双级霍尔推力器，它包括如下步骤：
步骤一：对待控制的势阱式双级霍尔推力器的磁路用FEMM进行建模：
所述势阱式双级霍尔推力器的励磁线圈包括加速级第一励磁线圈(1)、加速级第二励磁线圈(2)、电离级第三励磁线圈(3)和三个电离级第四励磁线圈(4)，其中三个电离级第四励磁线圈(4)采用串联的工作模式；
步骤二：根据电离级第三励磁线圈(3)的匝数N3、三个电离级第四励磁线圈(4)的匝数N4和零磁通量公式N3I3+N4I4＝0的条件，得到电离级第三励磁线圈(3)的电流I3与电离级第四励磁线圈(4)的I4的比例；
步骤三：根据电离级第三励磁线圈(3)的电流I3与电离级第四励磁线圈(4)的I4的比例，调节电离级第三励磁线圈(3)和电离级第四励磁线圈(4)的电流，使电离级产生最大值150～200G的磁感应强度；再调节加速级第一励磁线圈(1)和加速级第二励磁线圈(2)的电流，直到势阱式双级霍尔推力器维持放电。
2.根据权利要求1所述的一种应用于双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制方法，其特征在于，步骤三中调节加速级第一励磁线圈(1)、加速级第二励磁线圈(2)、电离级第三励磁线圈(3)和三个电离级第四励磁线圈(4)的电流时，满足加速级第一励磁线圈(1)、加速级第二励磁线圈(2)和三个电离级第四励磁线圈(4)的电流方向相同，且与电离级第三励磁线圈(3)的电流方向相反。
3.根据权利要求1所述的一种应用于双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制方法，其特征在于，步骤二中得到电离级第三励磁线圈(3)的电流I3与电离级第四励磁线圈(4)的I4的比例后，利用高斯计测量测量的方法对电离级是否产生零磁通量的效果进行采样校验，根据测得实际工作中加速区磁场强度为零时的电流比例，对所述得到的电离级第三励磁线圈(3)的电流I3与电离级第四励磁线圈(4)的I4的比例做相应的修正。
4.一种应用于双级霍尔推力器耦合磁场的解耦合控制方法，其特征在于，所述控制方法的控制对象为势阱式双级霍尔推力器，所述势阱式双级霍尔推力器的电离级第三励磁线圈(3)的匝数N3与三个电离级第四励磁线圈(4)的匝数N4相等；
所述控制方法包括如下步骤：
步骤一：对待控制的势阱式双级霍尔推力器的磁路用FEMM进行建模：
所述势阱式双级霍尔推力器的励磁线圈包括加速级第一励磁线圈(1)、加速级第二励磁线圈(2)、电离级第三励磁线圈(3)和三个电离级第四励磁线圈(4)，其中三个电离级第四励磁线圈(4)采用串联的工作模式；
步骤二：根据电离级第三励磁线圈(3)的电流I3与电离级第四励磁线圈(4)的I4的比例，调节电离级第三励磁线圈(3)和电离级第四励磁线圈(4)的电流，使电离级产生最大值150～200G的磁感应强度；再调节加速级第一励磁线圈(1)和加速级第二励磁线圈(2)的电流，直到势阱式双级霍尔推力器维持放电。
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