CN106704131A - 一种基于电子源热调节的霍尔推力器在轨增效和稳定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电子源热调节的霍尔推力器在轨增效和稳定方法，涉及提高航天电推进霍尔推力器效率的方法，为了提高航天电推进霍尔推力器效率和稳定性。该方法包括：点火时，热子正反馈加热发射体；在轨增效时，热子负反馈加热发射体。本发明适用于提高航天电推进霍尔推力器效率和稳定性。

Description

一种基于电子源热调节的霍尔推力器在轨增效和稳定方法

技术领域

本发明涉及提高航天电推进霍尔推力器效率的方法。

背景技术

霍尔推力器是一种广泛应用的等离子体推进装置。它的主要特点是内部有较强电场。该电场通过气体放电电离中性气体，生成的带电荷的重粒子会在电场力的作用下加速喷出霍尔推力器。整个电离-加速所产生的反作用力(推力)被用于各种航天器的位置保持、轨道转移等。

研究发现，霍尔推力器的一个子部件——空心阴极对整机的推力有显著影响，其中的一种机制是通过改变粒子的加速电压来改变整机的推力。整机推力和粒子加速电压之间的关系为：

式中，F为粒子加速产生的推力，单位为N；

为推进剂质量流量，单位为kg/s；

Z为粒子带的电荷数；Z>＝1；

e为电子电荷，等于1.6X10^-19C；

V_acc为粒子加速电压，单位为V；

M_i为粒子质量，单位为kg；

U_d为电源输出的放电电压(恒压)，单位为V；

Δ为将中性原子电离需要付出的电压损失，单位为V；

U_cp——电子从阴极输运到加速管所需要的电压损失，单位为V；

改变阴极加速电压是通过改变U_cp间接实现的。U_cp有两个功能，一是将一部分电子输运到加速管内部，不断为加速管内部的电离提供“种子”；二是将另一部分电子输运到喷出的离子束流中，以满足等离子体的准中性属性。由于电源输出电压是有限且恒定的，U_cp这种与重粒子加速无关的损失越小，则对于加速有实际贡献的电压就越大。

目前已知的U_cp包含两个部分：U_cp＝U_s+U_p；

式中，U_s为将电子从阴极表面引出至阴极鞘层边缘需要的压降，单位为V；U_p为将电子从鞘层边缘输运到离子流需要的压降，单位为V；

根据经典的电子热发射理论：

式中，ε₀为真空介电常数，等于8.85X10-¹²F；

e为电子电荷，等于1.6X10^-19C；

k为玻尔兹曼常数，等于1.38*10²³m²kg s^-2K^-1；

T_e为电子温度，单位为K；

n_e为等离子体密度，单位为1/m³；

为热电子发射功函，单位为J；

S为阴极表面积，单位为m²；

A为Richardson-Dushman系数；

T为阴极表面温度，单位为K；

J_p为总共发射电子电流值，单位为A；

霍尔推力器稳定工作时，J_p一般是恒定的。于是U_s就与阴极表面温度有关，而后者是可控的。实际上，目前在轨使用的阴极都附带有一个加热元件(热子)，其功能是在需要点火时把阴极加热到较高温度，以降低点火击穿所需的电压和推进剂流量。点火后，因为等离子体放电自身会加热阴极，所以要关闭热子的加热电流，从而节约能源。

霍尔推力器有一个弊端，就是交付后的在轨工作状态会偏离地面设计值，给整个航天器系统的运行造成了很多麻烦。其成因主要有两点：一是工作环境(环境温度、背景气压等)发生了改变，导致等离子体自身发生改变；二是随着年限推移，由于等离子体对推力器内部各部件的溅射腐蚀，导致一些关键尺寸偏离最初的设计值，性能一般都会出现严重的退化。目前，对于这种“上天后变卦，年头久变卦”的问题，其实并没有成熟的解决方法。

面对这些设计时无法把握的变量，霍尔推力器实际上需要在轨增效和维稳的后备措施。在轨调节输入参数(如推进剂流量、电源输出电压、生成磁场的励磁电流等)是可行的，但这些都是全局性的调整，其后果往往无法预估。

发明内容

本发明的目的是为了提高航天电推进霍尔推力器效率和稳定性，从而提供一种基于电子源热调节的霍尔推力器在轨增效和稳定方法。

本发明所述的一种基于电子源热调节的霍尔推力器在轨增效和稳定方法，包括：

点火时，热子正反馈加热发射体；

在轨增效时，热子负反馈加热发射体。

优选的是，该方法基于分流电路实现，所述分流电路包括：恒流源、可变电阻和热子；

可变电阻和热子并联，组成并联支路，该并联支路与恒流源串联；

点火时，R₂₁＞＞R₁，R₂₁为点火时可变电阻的阻值，R₁为热子的阻值；

在轨增效时，R₂₂＜＜R₁，R₂₂为在轨增效时可变电阻的阻值。

优选的是，确定R₂₁和R₂₂的方法，包括以下步骤：

步骤一、使霍尔推力器运行，将可变电阻断路，根据发动机变工况范围和条件，确定阴极放电电流I_c的变化范围；在不同阴极放电电流I_c下，确定能够实现束聚焦且振荡最小的无可变电阻时的最优加热电流I_h；

步骤二、对阴极进行单独测试，在不同阴极放电电流I_c下，给热子通入无可变电阻时的最优加热电流I_h，调节可变电阻的阻值，寻找阴极温度失饱和时的可变电阻的阻值R₂₀，作为正、负反馈平衡点；

步骤三、根据恒流源所允许的输出电流范围，选取可变电阻的下限；根据可变电阻的等级，选取可变电阻的上限；上限和下限均在0.1R₂₀～10R₂₀的范围内；

步骤四、使霍尔推力器运行，可变电阻的下限和上限分别为步骤三得到的可变电阻的下限和上限，在不同阴极放电电流I_c下，确定能够实现束聚焦且振荡最小的有可变电阻时的最优加热电流I_h1；

步骤五、对阴极进行单独测试，在不同阴极放电电流I_c下，给热子通入有分流电阻时的最优加热电流I_h1，调节可变电阻的阻值，寻找阴极温度失饱和时的可变电阻的阻值R₂₀，作为新的正、负反馈平衡点；

不断重复步骤三至步骤五，直至最优加热电流I_h1、可变电阻的下限和可变电阻的上限均收敛，且本次数值和上次数值的差值在预先设定的范围内；可变电阻的下限和上限分别对应R₂₂和R₂₁。

本发明充分利用被闲置的热子，从阴极鞘层范围内的局部着眼进行调节。利用热发射与场发射相互补偿的特性，用热子加热发射体，降低阴极电势降。提高了航天电推进霍尔推力器的效率和稳定性。实现了100s的比冲增量和6％的效率增量，相对于传统的化学推进的总共200-300s的比冲和20-30％的效率，这些都是很高的数值。本发明适用于提高航天电推进霍尔推力器效率和稳定性。

附图说明

图1是具体实施方式一中的空心阴极的结构示意图；

4为隔热罩，5为发射体，6为阴极管，7为推进剂，8为孔板，9为触持极，10为加热器；

图2是具体实施方式一中的不同热子加热功率下的U_s曲线图；

图3是具体实施方式一中的不同热子加热功率下的推力增量ΔF曲线图；

图4是具体实施方式一中的不同热子加热功率下的比冲增量ΔI_sp曲线图；

图5是具体实施方式一中的不同热子加热功率下的效率增量曲线图；

图6是具体实施方式二中的分流电路的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于电子源热调节的霍尔推力器在轨增效和稳定方法，包括：

点火时，热子正反馈加热发射体；

在轨增效时，热子负反馈加热发射体。

图2至图5分别为不同热子加热功率下的U_s、推力增量ΔF、比冲增量ΔI_sp和效率增量曲线图。比冲I_sp，效率η，图2为实际测得的曲线，图3至图5中Exp指实际测得的曲线，Cal为理论计算的曲线。可以看出，随着热子加热功率增加，U_s逐渐减小，有效加速电压逐渐升高，推力增加，相应的比冲和效率都持续升高。实现了100s的比冲增量和6％的效率增量，相对于传统的化学推进总共200-300s的比冲和20-30％的效率，这些都是很高的数值。该结果证实了通过电子源热调节来实现增效和稳定的可行性和显著性。

空心阴极的结构如图1所示，发射体(电子热发射材料)位于阴极管内的端部。阴极管主要用于控制推进剂的流动。热子(加热器)一般螺旋缠绕在阴极管外围对应发射体的位置，尽可能的直接加热。为了减少热损失，在热子外围还包裹有隔热罩。

热子现有的供电方法一般是恒流加热。这种方法有一个特性，就是加热功率会随温度升高越来越大。原因在于加热丝的阻值随温度升高会逐渐增大。该正反馈特性在点火时是有益的，因为它可以快速积累起加热功率；但在在轨增效时，这种特性是有害的，因为可能控制不住最终的温度。但是，在热子普遍使用恒流加热的技术背景下，暂时不允许更改其他电源。因此在点火时，热子正反馈加热发射体；在轨增效时，热子负反馈加热发射体。

具体实施方式二：结合图6具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于电子源热调节的霍尔推力器在轨增效和稳定方法作进一步说明，本实施方式中，该方法基于分流电路实现，所述分流电路包括：恒流源1、可变电阻2和热子3；

可变电阻2和热子3并联，组成并联支路，该并联支路与恒流源1串联；

点火时，R₂₁＞＞R₁，R₂₁为点火时可变电阻2的阻值，R₁为热子3的阻值；

在轨增效时，R₂₂＜＜R₁，R₂₂为在轨增效时可变电阻2的阻值。

使用分流电路来实现在正反馈到负反馈之间的自由切换，可变电阻2的阻值为R₂，热子3上的焦耳热功率为：

其中，I为恒流源输出的电流，单位为A；P为热子焦耳热功率，单位为W。

可以看出：

当R₂＞＞R₁时，

当R₂＜＜R₁时，

当R2＝R1时，

所以，当可变电阻2的阻值从R₂R₁到R₂＜＜R₁过程中，P从逐渐过渡为即从正反馈过渡为负反馈特性，反之亦然。利用这个规律，可以在点火时可变电阻设置较大的阻值，构造正反馈的加热；在轨增效时可变电阻切换到较小的阻值，构造负反馈的加热，以稳住阴极温度。

本实施方式通过调节热子功率优化霍尔推力器性能(推力、效率、稳定性等)，通过分流电路防止阴极热失稳(温度、放电等)。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种基于电子源热调节的霍尔推力器在轨增效和稳定方法作进一步说明，本实施方式中，确定R₂₁和R₂₂的方法，包括以下步骤：

步骤一、使霍尔推力器运行，将可变电阻2断路，根据发动机变工况范围和条件，确定阴极放电电流I_c的变化范围；在不同阴极放电电流I_c下，确定能够实现束聚焦且振荡最小的无可变电阻时的最优加热电流I_h；

步骤二、对阴极进行单独测试，在不同阴极放电电流I_c下，给热子通入无可变电阻时的最优加热电流I_h，调节可变电阻2的阻值，寻找阴极温度失饱和时的可变电阻2的阻值R₂₀，作为正、负反馈平衡点；

步骤三、根据恒流源所允许的输出电流范围，选取可变电阻2的下限；根据可变电阻的等级，选取可变电阻2的上限；上限和下限均在0.1R₂₀～10R₂₀的范围内；

步骤四、使霍尔推力器运行，可变电阻2的下限和上限分别为步骤三得到的可变电阻2的下限和上限，在不同阴极放电电流I_c下，确定能够实现束聚焦且振荡最小的有可变电阻时的最优加热电流I_h1；

步骤五、对阴极进行单独测试，在不同阴极放电电流I_c下，给热子通入有分流电阻时的最优加热电流I_h1，调节可变电阻2的阻值，寻找阴极温度失饱和时的可变电阻2的阻值R₂₀，作为新的正、负反馈平衡点；

不断重复步骤三至步骤五，直至最优加热电流I_h1、可变电阻2的下限和可变电阻2的上限均收敛，且本次数值和上次数值的差值在预先设定的范围内；可变电阻2的下限和上限分别对应R₂₂和R₂₁。

通过改变可变电阻2的匝数、材料等优化阻值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (3)

1.一种基于电子源热调节的霍尔推力器在轨增效和稳定方法，其特征在于，包括：

点火时，热子正反馈加热发射体；

在轨增效时，热子负反馈加热发射体。

2.根据权利要求1所述的一种基于电子源热调节的霍尔推力器在轨增效和稳定方法，其特征在于，该方法基于分流电路实现，所述分流电路包括：恒流源(1)、可变电阻(2)和热子(3)；

可变电阻(2)和热子(3)并联，组成并联支路，该并联支路与恒流源(1)串联；

点火时，R₂₁＞＞R₁，R₂₁为点火时可变电阻(2)的阻值，R₁为热子(3)的阻值；

在轨增效时，R₂₂＜＜R₁，R₂₂为在轨增效时可变电阻(2)的阻值。

3.根据权利要求2所述的一种基于电子源热调节的霍尔推力器在轨增效和稳定方法，其特征在于，确定R₂₁和R₂₂的方法，包括以下步骤：

步骤一、使霍尔推力器运行，将可变电阻(2)断路，根据发动机变工况范围和条件，确定阴极放电电流I_c的变化范围；在不同阴极放电电流I_c下，确定能够实现束聚焦且振荡最小的无可变电阻时的最优加热电流I_h；

步骤二、对阴极进行单独测试，在不同阴极放电电流I_c下，给热子通入无可变电阻时的最优加热电流I_h，调节可变电阻(2)的阻值，寻找阴极温度失饱和时的可变电阻(2)的阻值R₂₀，作为正、负反馈平衡点；

步骤三、根据恒流源所允许的输出电流范围，选取可变电阻(2)的下限；根据可变电阻的等级，选取可变电阻(2)的上限；上限和下限均在0.1R₂₀～10R₂₀的范围内；

步骤四、使霍尔推力器运行，可变电阻(2)的下限和上限分别为步骤三得到的可变电阻(2)的下限和上限，在不同阴极放电电流I_c下，确定能够实现束聚焦且振荡最小的有可变电阻时的最优加热电流I_h1；

步骤五、对阴极进行单独测试，在不同阴极放电电流I_c下，给热子通入有分流电阻时的最优加热电流I_h1，调节可变电阻(2)的阻值，寻找阴极温度失饱和时的可变电阻(2)的阻值R₂₀，作为新的正、负反馈平衡点；

不断重复步骤三至步骤五，直至最优加热电流I_h1、可变电阻(2)的下限和可变电阻(2)的上限均收敛，且本次数值和上次数值的差值在预先设定的范围内；可变电阻(2)的下限和上限分别对应R₂₂和R₂₁。