CN106771703A - 霍尔推力器阳极热功率测量方法 - Google Patents

Abstract

霍尔推力器阳极热功率测量方法，属于霍尔推力器领域，本发明为解决直接阳极热功率测量方法处于技术瓶颈的问题。本发明方法包括以下步骤：步骤一、在阳极的外环面上沿周向均布N个热电偶，用于测量阳极温度T；在陶瓷放电通道的壁面上设置一个热电偶，用于测量阳极向周围热辐射的环境温度Tw；对阳极进行隔热处理；步骤二、启动霍尔推力器在设定工况下工作，在阳极温度T及阳极向周围热辐射的环境温度Tw都处于稳态的情况下突然关闭霍尔推力器，阳极进入持续散热的降温过程；测量关机时刻t_s后的△t内的阳极降温速率，并按公式求解出阳极热功率。

Description

霍尔推力器阳极热功率测量方法

技术领域

本发明属于霍尔推力器领域。

背景技术

电推进是一项利用电能电离和加速工质气体，使其形成高速的等离子体射流从而产生推力的技术。与化学推进相比，电推进技术具有比冲高、推力小、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。目前近百余颗卫星搭载各种电推进装置在轨执行任务，标志着航天推进系统逐渐由化学推进向电推进技术的改革，化学推力器最终将由发展成熟的电推力器所取代。

霍尔推力器作为一种已经成熟在轨应用的电推进装置，其推力性能和在轨应用的可靠性是目前受广泛关注的核心问题。根据霍尔推力器的能量体系分析，其总功率等于阳极热损失，电离损失，壁面损失，离子散射损失与有效动能相加之和。其中阳极热损失完全作用于推力器的阳极部件。阳极热损失的增加将会降低推力器的有效功率，降低推力器的整机性能。并且，由于霍尔推力器中阳极部件是薄壁件，体积质量较小，因此过大的阳极热功率会导致阳极过热，进而导致材料失效或者部件损坏，甚至导致推力器整机失效。因此，对于霍尔推力器而言，如何降低阳极的热功率是很重要的研究课题。这样，针对霍尔推力器的阳极功率测量和优化是目前受广泛关注的工程和理论问题。

目前针对霍尔推力器阳极功率的研究主要集中在理论预测和仿真阶段。Grys etal.研究和测量得到了一台4000W霍尔推力器的能量损失通过多点热电偶测量与一个有限元仿真计算模型的比照。根据已发表文献对霍尔推力器能量损失体系的分析，阳极上沉积的热功率主要受复合电子数量和复合电子的平均能量影响。因此，根据理论推导，阳极热功率可简单地表示为q_anode＝kI_dT_e，其中I_d是阳极上通过的电流，T_e是阳极上复合电子的平均电子温度，k是受不同放电工况影响下的阳极鞘层校正系数。但是由于霍尔推力器在工作过程中阳极是暴露在放电等离子体环境中，等离子体的不稳定性和放电环境影响着阳极热功率的测量，对直接阳极热功率进行测量方法形成了技术瓶颈。

发明内容

本发明目的是为了解决直接阳极热功率测量方法处于技术瓶颈的问题，提供了一种霍尔推力器阳极热功率测量方法。

本发明所述霍尔推力器阳极热功率测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、在阳极的外环面上沿周向均布N个热电偶，用于测量阳极温度T；在陶瓷放电通道的壁面上设置一个热电偶，用于测量阳极向周围热辐射的环境温度Tw；对阳极进行隔热处理；

步骤二、启动霍尔推力器在设定工况下工作，在阳极温度T及阳极向周围热辐射的环境温度Tw都处于稳态的情况下突然关闭霍尔推力器，阳极进入持续散热的降温过程；测量关机时刻t_s后的△t内的阳极降温速率并按下式求解出阳极热功率q_anode；

式中：

M表示阳极的有效质量；

C_p表示阳极材料的热容。

优选地，步骤一中阳极外环面上N个热电偶测量数据的平均值作为阳极温度T。

优选地，步骤二中△t分别取值0.25秒、0.5秒和1秒，计算出的三个阳极热功率，并取平均值作为阳极热功率最终结果。

优选地，该方法还包括验证步骤：

步骤三、判断毕渥数Bi是否满足条件Bi<0.1，

若满足该条件，则表征该霍尔推力器适用热力系统中的集中参数研究方法，步骤二求解的阳极热功率q_anode为正确值；若不满足该条件，则表征该霍尔推力器不适用热力系统中的集中参数研究方法，步骤二求解的阳极热功率q_anode为错误值；

毕渥数Bi按公式

获取；

其中：

δ为阳极的壁厚；

A为阳极的表面积；

λ为阳极材料的导热系数。

优选地，步骤一中对阳极进行隔热处理的措施包括：

采用两个空心螺栓将阳极固定在陶瓷放电通道的底部；

采用石棉垫片在两个空心螺栓与阳极连接处将阳极垫起。

本发明的优点：本专利提出了一种应用热力系统动态学的方法测量霍尔推力器阳极上的热功率。该方法基于霍尔推力器热动态过程，通过分析推力器整机及阳极部件的热状态，对阳极进行适当的隔热处理，使之满足集中参数法的研究对象。在确定霍尔推力器工作达到热稳态的情况下，瞬间关闭霍尔推力器并测量得到阳极的降温速率，这样在计算得到该时刻阳极散热功率的情况下反推出热稳态时阳极的加热功率。该方法仅通过几个布置在阳极及阳极周围陶瓷壁面上的热电偶即可得到阳极在任意工况下的热功率，并且不对霍尔推力器的结构和放电工况造成任何的破坏，不影响放电通道中等离子体的放电特性，不对推力器的推力性能造成影响，极大的提高了该方法对于各种霍尔推力器的适用性。

本发明测量精度在±4％范围内。这种方法具有结构简单，适用性和可行度高的优点，在不干扰等离子体放电的情况下即可测量得到阳极热功率，保证了测量的准确性。该方法可用于霍尔推力器阳极热功率的测量诊断，也可用于分析推力器能量损失体系，优化阳极设计，磁场设计以减小阳极热功率等工程优化问题。

附图说明

图1是本发明所述霍尔推力器阳极热功率测量方法的原理示意图；

图2是图1中阳极的正视图；

图3是阳极及放电通道壁面降温曲线图，以阳极设置四个热电偶为例，其中曲线A是阳极外侧壁第一个热电偶降温曲线图，曲线B是阳极外侧壁第二个热电偶降温曲线图，曲线C是阳极外侧壁第三个热电偶降温曲线图，曲线D阳极外侧壁第四个热电偶降温曲线图，曲线E是放电通道壁面降温曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式给出一个具体实施例。本实施例选用霍尔推器的型号为SPT100，SPT100霍尔推力器是陶瓷放电通道4为外径100mm的典型单级霍尔推力器，其放电通道结构示意图间说明书附图1。推力器的阳极3是一个中空的环形结构，材料是不锈钢，牌号(1Cr18Ni9Ti)。阳极3的外环面径向开有32个小出气孔，工作时气体工质从出气孔中喷出用于气体在周向的均化，阳极3同时作为推力器的气体分配器。阳极3被安置在陶瓷放电通道4的底部通过两个特别设计的φ4的空心螺栓5。同时为了尽量减少阳极3向陶瓷放电通道4底部的传热，采用石棉垫片2在两个连接螺栓处将阳极3垫起，以减小阳极3结构与陶瓷放电通道4底部的接触面积。N＝4个电焊在阳极3外环面上的k型热电偶1被用来测量推力器的阳极温度。这时由于阳极3的结构与周围结构的接触面积很小，因此阳极3主要通过辐射散热。第五个k型热电偶1放置在阳极3附近的陶瓷放电通道4的壁面处，被用来测量阳极向周围热辐射的环境温度。

在假设推力器的阳极满足毕渥数足够小的情况下(Bi<0.1)，阳极即满足热力系统中的集中参数研究方法。这时由于阳极3内部温差、阳极3与环境温差相差较大，阳极3的温度可表示为：

M—阳极的有效质量；阳极的有效质量为M＝90.60±0.01g，通过一个电子天平测量得到。

C_p—阳极的热容；阳极材料1Cr18Ni9Ti的热容是501.6±20J/kg·K。

T—阳极的温度；

q_anode—阳极的加热功率；

q_rad,q_cond，q_conv——阳极向外散热的三种形式即热辐射，热传导和热对流。

当阳极3与周围环境都达到热稳态的时候，这时阳极的温度随时间的变化率为零，即当阳极3达到热稳态时，根据方程(1)我们得到：

q_anode-(q_rad+q_cond+q_conv)＝0→q_anode＝q_rad+q_cond+q_conv (2)

在这种情况下，突然关闭工作中的推力器导致推力器的加热功率为零，即q_anode＝0，这时阳极3将由于持续散热而开始降温。这时我们通过测量阳极3从该关机时刻起的降温过程，得到阳极3在关机时刻后的降温速率，这样阳极3的加热功率就可得到公式：

阳极降温速率由所设置的四个热电偶上温度的平均值表示。每个电偶由一套PLC k型热电偶温度数据采集模块采集得到，并通过RS323通讯端口与电脑实时传输并记录数据。该套测温系统的采样频率为8Hz，系统误差为±0.75％。

同时为了验证阳极的毕渥数是否满足集中参数法研究对象，对其进行计算。毕渥数可表示为

Bi——阳极毕渥数；

δ——阳极结构的特征尺度，壁厚；

h——阳极表面的换热系数；

λ——阳极材料的导热系数。

对于阳极在散热过程中，向外辐射的热功率可表示为：

q_anode＝Ah(T_S-T_W) (5)

q_anode——阳极热功率；

T_S——阳极的稳态温度；

T_W——辐射过程周围环境的温度。

这样我们得到：

于我们所采用的阳极结构，特征长度δ为空心圆环阳极的壁厚，为1mm。阳极材料的导热系数为26.8W/m·K。因此该系统的毕渥数可计算按照公式：

当SPT100霍尔推力器工作在额定工况下，放电电压300V，阳极工质流量5ms/s，放电功率1.39kW，阳极的功率利用该方法进行了测量。试验中氙气被用于实验的电离气体。具体实施办法为：首先预热霍尔推力器，让霍尔推力器在设定工况下工作1.5～2小时，同时测量推力器阳极和阳极周围陶瓷温度，当推力器达到热稳态即阳极和陶瓷温度不随时间改变而变化时，开始准备测量关机过程的阳极降温曲线。由于PLC设备不能承受推力器等离子体放电和阳极高电压对系统的冲击，因此需要在热电偶和PLC设备之间采用隔离开关，在推力器熄火瞬间关闭开关以接通热电偶信号和PLC采集系统，这样在电脑上能得到热电偶所测量得到的温度数据。试验中在降温过程中，四个阳极热电偶测得的温度差最大为5.9℃。因此这四个热电偶的平均温度被用来评估阳极的整体温度。降温过程中阳极的四个热电偶的温度见说明书附图3。阳极的热稳态温度为T_S＝492.4℃，阳极稳态温度和周围环境的温差为54℃。根据测量结果，阳极的降温速率由MATLAB程序经过降噪后处理计算得到。在时间差△t＝0.25,0.5和1s的范围内，分别得到阳极的降温速率为-1.57,-1.55and-1.54℃/s。可见阳极的降温速率在短时间内变化很小。为了减小偶然误差，可采用在一秒钟之内的阳极平均降温速率作为计算阳极热功率的参数。这样根据公式(3)，计算得到阳极热功率为q_anode＝70.55W。阳极热功率在推力器的总功率中占5.08％。根据公式(7)计算得到阳极的毕渥数为Bi＝0.005远远小于集中参数法假设的阳极毕渥数要小于0.1的条件，因此对于霍尔推力器的阳极热流动态特性分析，完全可以采用集中参数法。

根据分析，该方法的不确定度主要由阳极有效质量测量和材料热容数据的不确定度造成。该方法的总相对不确定度可计算根据公式：

δ_M——阳极质量测量的相对不确定度，与称量阳极质量的设备有关；

——阳极材料热容数据的相对不确定度，通过查表，材料不同，相对不确定度不同。

因此得到该测量方法的总相对不确定度为4％。

Claims (5)

1.霍尔推力器阳极热功率测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、在阳极的外环面上沿周向均布N个热电偶，用于测量阳极温度T；在陶瓷放电通道的壁面上设置一个热电偶，用于测量阳极向周围热辐射的环境温度Tw；对阳极进行隔热处理；

步骤二、启动霍尔推力器在设定工况下工作，在阳极温度T及阳极向周围热辐射的环境温度Tw都处于稳态的情况下突然关闭霍尔推力器，阳极进入持续散热的降温过程；测量关机时刻t_s后的△t内的阳极降温速率并按下式求解出阳极热功率q_anode；

$q_{anode}=-{\mathrm{MC}}_p\frac{dT}{dt}{|}_{t=t_s+\mathrm{\&Delta;}t};$

式中：

M表示阳极的有效质量；

C_p表示阳极材料的热容。

2.根据权利要求1所述霍尔推力器阳极热功率测量方法，其特征在于，步骤一中阳极外环面上N个热电偶测量数据的平均值作为阳极温度T。

3.根据权利要求1所述霍尔推力器阳极热功率测量方法，其特征在于，步骤二中△t分别取值0.25秒、0.5秒和1秒，计算出的三个阳极热功率，并取平均值作为阳极热功率最终结果。

4.根据权利要求1所述霍尔推力器阳极热功率测量方法，其特征在于，该方法还包括验证步骤：

步骤三、判断毕渥数Bi是否满足条件Bi<0.1，

若满足该条件，则表征该霍尔推力器阳极适用热力系统中的集中参数研究方法，步骤二求解的阳极热功率q_anode为正确值；若不满足该条件，则表征该霍尔推力器阳极不适用热力系统中的集中参数研究方法，步骤二求解的阳极热功率q_anode为错误值；

毕渥数Bi按公式

$Bi=\frac{{\mathrm{\&delta;q}}_{anode}}{A\mathrm{\&lambda;}(T_S-T_W)}$

获取；

其中：

δ为阳极的壁厚；

A为阳极的表面积；

λ为阳极材料的导热系数。

5.根据权利要求1所述霍尔推力器阳极热功率测量方法，其特征在于，步骤一中对阳极进行隔热处理的措施包括：

采用两个空心螺栓将阳极固定在陶瓷放电通道的底部；

采用石棉垫片在两个空心螺栓与阳极连接处将阳极垫起。