CN107798178A - 一种混合推力器性能优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合推力器性能优化方法，从表征不同推力器性能的参数出发，在此参数的可选范围内选择较大值开始赋值，既能使单个推力器的性能达到最优，也能使得混合推力器的性能达到最优，可快速得到混合推力器最佳功率比和对应的总推力、总比冲及总效率，进而也得到了环型离子推力器功率、推力、比冲及效率和霍尔推力器的功率、推力、比冲及效率。该性能优化方法能够利用每个推力器的性能优势，优化了混合推力器的性能，可快速得到混合推力器最佳功率比和对应的总推力、总比冲及总效率的范围。

Description

一种混合推力器性能优化方法

技术领域

本发明涉及等离子体领域，具体涉及一种混合推力器性能优化方法。

背景技术

性能指标是航天器是否采用推力器或推力器是否能够成功应用并满足航天器需求的重要判断依据，它也是判断推力器设计是否成功的重要考核依据。现有推力器在在轨应用前需在地面经过大量性能参数试验验证，才能最终确定其最优工作参数并固化为额定工作点。影响推力器性能的参数繁多，机理复杂，通过试验验证不断迭代不仅耗时耗力还耗财。

目前已成功应用且工程化的电推力器产品包括离子推力器和霍尔推力器。混合推力器为一种兼顾不同推力器各自优势的新型电推力器产品，例如采用离子和霍尔两种不同类型电推力器混合，兼具离子推力器大比冲和霍尔推力器大推力的特点，使得混合推力器具有高功率、高比冲、大推力、性能覆盖范围广和调节能力强的巨大优势。但对一个给定在轨任务来说，如何确定混合推力器性能指标包括功率、比冲、推力等，确定离子推力器、霍尔推力器各自性能指标和性能调节范围，是一个亟需解决的问题。若单独设计混合推力器中的每个推力器的性能参数，则不能达到混合推力器的最优性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种混合推力器性能优化方法，该性能优化方法能够利用每个推力器的性能优势，优化了混合推力器的性能，可快速得到混合推力器最佳功率比和对应的总推力、总比冲及总效率的范围。

本发明的具体实施方案如下：

一种混合推力器性能优化方法，所述混合推力器包括两组推力器，分别为推力器Ⅰ和推力器Ⅱ，推力器Ⅰ和推力器Ⅱ的个数不限，推力器的参数为：比冲、功率、推力及效率；表征推力器性能的参数为：比冲或推力；

性能优化方法步骤如下：

步骤一，从表征推力器Ⅰ性能的参数出发，在参数的可选范围内选择最大值作为初始值赋予给推力器Ⅰ，求出不同功率下推力器Ⅰ对应的其他参数；根据要求的功率指标、推力指标得到推力器Ⅱ相应的功率及推力，从而求得推力器Ⅱ的比冲和效率，由此得到推力器Ⅰ和推力器Ⅱ的功率比与对应的总比冲、总推力及总效率的关系；改变初始值，重复上述过程，得到总比冲、总推力及总效率随功率比变化的曲线；

步骤二，将推力器Ⅰ与推力器Ⅱ对调，从表征推力器Ⅱ性能的参数出发，重复步骤一，得到新的总比冲、总推力及总效率随功率比变化的曲线；

步骤三、对比步骤一和步骤二的结果，得到混合推力器所需功率比、总推力、总比冲及总效率；进而得到对应的推力器Ⅰ功率、推力、比冲及效率和推力器Ⅱ的功率、推力、比冲及效率。

进一步地，所述步骤三中通过判断推力器Ⅰ、推力器Ⅱ及混合推力器的工程实现性来对比步骤一和步骤二的结果，剔除不能实现的推力器参数。

进一步地，所述步骤一中，在改变初始值之前进一步包括：判断推力器Ⅰ、推力器Ⅱ及混合推力器的工程实现性，若不能实现，则剔除不能实现的推力器参数后继续执行剩余步骤；若能够实现，则直接继续执行剩余步骤。

进一步地，所述两组推力器为同类型或者为不同类型。

进一步地，所述推力器Ⅰ和推力器Ⅱ分别为离子推力器和霍尔推力器，表征离子推力器性能的参数为比冲，表征霍尔推力器性能的参数为推力。

有益效果：

1、本发明充分利用了不同推力器各自的性能优势，使得混合推力器的性能达到最优；同时在不需要推力器进行试验测试的情况下对其性能参数进行估算，提前预测其应用范围及应用价值，减少中间加工、制造、组装、试验、测试等环节，降低产品生产成本；从表征不同推力器性能的参数出发，在此参数的可选范围内选择较大值开始赋值，既能使单个推力器的性能达到最优，也能使得混合推力器的性能达到最优，可快速得到混合推力器最佳功率比和对应的总推力、总比冲及总效率，进而也得到了环型离子推力器功率、推力、比冲及效率和霍尔推力器的功率、推力、比冲及效率。

2、本发明采用离子和霍尔两种不同类型电推力器混合，兼具离子推力器大比冲和霍尔推力器大推力的特点，使得混合推力器具有高功率、高比冲、大推力、性能覆盖范围广和调节能力强的巨大优势。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本实施例的方法流程图；

图3是总推力随功率比变化的曲线。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种环形离子推力器和霍尔推力器混合的混合推力器，对该混合推力器进行性能优化，推力器的参数为：比冲、功率、推力及效率；表征推力器性能的参数为：比冲和推力。在对推力器的参数进行计算时，用到如下公式：

推力器功率P、推力T、流率之间的关系为：

推力器推力T、比冲I_s、流率之间的关系为：

式中，g为重力加速度。

推力器效率η、功率P、推力T、比冲I_s之间的关系为：

推力器推力T、口径R、束电压V_b、平均束流密度之间的关系为：

混合推力器总流率总功率P'、总推力T'之间的关系为：

混合推力器总比冲I_s′、总推力T'、总流率之间的关系为：

混合推力器总效率η′、总功率P'、总推力T'、总比冲I′_s之间的关系为：

式中，T'＝T_霍+T_离表示总推力，P'＝P_霍+P_离表示总功率。

根据在轨任务需求，流程如图1、图2所示，具体性能优化方法步骤如下：

步骤一、考虑环形离子推力器比冲一定的情况；

步骤101，在比冲的可选范围[a,b]内选择最大值作为初始值b赋予给环型离子推力器，求出不同功率下环型离子推力器对应的推力及效率。

已知比冲和功率，利用式(1)和式(2)求出环形离子推力器的推力，利用式(3)求出环形离子推力器的效率。

步骤102，根据要求的功率指标、推力指标得到霍尔推力器相应的功率及推力，从而求得霍尔推力器的比冲和效率。

同样利用式(1)、式(2)及式(3)求解，由此得到环型离子推力器和霍尔推力器的功率比与对应的总比冲、总推力及总效率的关系；总比冲、总推力及总效率利用式(5)、式(6)及式(7)求解。

步骤103，改变初始值b，重复步骤101和步骤102，得到总比冲、总推力及总效率随功率比变化的曲线，如图3所示为总推力随功率比变化的曲线。

步骤二、考虑霍尔推力器推力一定的情况；

步骤201，在推力的可选范围内选择最大值作为初始值赋予给霍尔推力器，求出不同功率下霍尔推力器对应的比冲及效率。

已知推力和功率，利用式(1)和式(2)求出霍尔推力器的比冲，利用式(3)求出霍尔推力器的效率；

步骤202，根据要求的功率指标、推力指标得到环型离子相应的功率及推力，从而求得环型离子推力器的比冲和效率。

同样利用式(1)、式(2)及式(3)求解，由此得到环型离子推力器和霍尔推力器的功率比与对应的总比冲、总推力及总效率的关系；总比冲、总推力及总效率利用式(5)、式(6)及式(7)求解；

步骤203，改变初始值，重复步骤201和步骤202，得到总比冲、总推力及总效率随功率比变化的曲线。

步骤三、对比步骤一和步骤二的结果，对混合推力器的总推力和总比冲进行工程可实现性分析，对之前的工程可实现性进行反推或者验证，同时结合需求指标最终得到混合推力器所需功率比、总推力、总比冲及总效率；由于总推力、总比冲及总效率的数值与环型离子推力器和霍尔推力器的功率、推力、比冲及效率值的对应关系即为步骤一和步骤二中所确定的对应关系，是一一对应的，因此也得到了总推力、总比冲及总效率所对应的环型离子推力器功率、推力、比冲及效率和霍尔推力器的功率、推力、比冲及效率；若不能实现，则返回步骤一重新计算。

在进行性能优化的同时，依据需求指标并对环型离子推力器、霍尔推力器及混合推力器进行工程可实现性分析，判断参数是否能够实现，剔除不能实现的推力器参数。进行工程可实现性分析时，可以在计算出所有的方案后进行分析来对比步骤一和步骤二的结果；也可以在计算出功率比和对应的总推力、总比冲及总效率的关系后对混合推力器进行工程可实现性分析，然后分别对环型离子推力器、霍尔推力器各自的参数进行分析。

如图2所示，本实施例在进行工程可实现性分析时，以环形离子推力器比冲一定的情况为例进行说明，霍尔推力器推力一定的情况与环形离子推力器比冲一定的情况进行分析的方法一样。先分析混合推力器总比冲和总推力的工程实现性，若不能实现，改变当前环型离子推力器的被赋予的初始值b，在[a,b)内重新选择最大值作为当前初始值B赋予给环型离子推力器，求出不同功率下环型离子推力器对应的推力及效率，重复步骤102，得到总比冲、总推力及总效率。选择最大值时，预先设置一个步进值，每次依据步进值在[a,b)内选择下一个环型离子推力器的比冲值。

然后，利用式(4)判断环型离子推力器各参数的工程实现性及霍尔推力器各参数的工程实现性；若不能实现，再次改变环型离子推力器的比冲被赋予的当前初始值B，在[a,B)内重新选择最大值赋予给环型离子推力器，求出不同功率下环型离子推力器对应的推力及效率，重复步骤102，得到总比冲、总推力及总效率；最终得到总比冲、总推力及总效率随功率比变化的曲线。

判断工程实现性时，会考虑推力器的口径大小能否实现，由平均束流密度得出的栅极导流极限能否满足，以及环形离子推力器和霍尔推力器安装后二者之间的磁路是否产生干扰等。改变表征推力器性能参数的赋予值时，遵循在参数的可选范围内由大到小顺次选择。

上述方法同样适用于同种类型推力器混合的性能优化，也同样适用于推力器个数大于或等于二的情况，此时，总功率P′＝P₁+P₂+…+P_i，总推力T'＝T₁+T₂+…+T_i，i＝1，2，……，n，相应地，改变式(5)、式(6)及式(7)。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种混合推力器性能优化方法，其特征在于，所述混合推力器包括两组推力器，分别为推力器Ⅰ和推力器Ⅱ，推力器Ⅰ和推力器Ⅱ的个数不限，推力器的参数为：比冲、功率、推力及效率；表征推力器性能的参数为：比冲或推力；

性能优化方法步骤如下：

步骤一，从表征推力器Ⅰ性能的参数出发，在参数的可选范围内选择最大值作为初始值赋予给推力器Ⅰ，求出不同功率下推力器Ⅰ对应的其他参数；根据要求的功率指标、推力指标得到推力器Ⅱ相应的功率及推力，从而求得推力器Ⅱ的比冲和效率，由此得到推力器Ⅰ和推力器Ⅱ的功率比与对应的总比冲、总推力及总效率的关系；改变初始值，重复上述过程，得到总比冲、总推力及总效率随功率比变化的曲线；

步骤二，将推力器Ⅰ与推力器Ⅱ对调，从表征推力器Ⅱ性能的参数出发，重复步骤一，得到新的总比冲、总推力及总效率随功率比变化的曲线；

步骤三、对比步骤一和步骤二的结果，得到混合推力器所需功率比、总推力、总比冲及总效率；进而得到对应的推力器Ⅰ功率、推力、比冲及效率和推力器Ⅱ的功率、推力、比冲及效率。

2.如权利要求1所述的混合推力器性能优化方法，其特征在于，所述步骤三中通过判断推力器Ⅰ、推力器Ⅱ及混合推力器的工程实现性来对比步骤一和

步骤二的结果，剔除不能实现的推力器参数。

3.如权利要求1所述的混合推力器性能优化方法，其特征在于，所述步骤一中，在改变初始值之前进一步包括：判断推力器Ⅰ、推力器Ⅱ及混合推力器的工程实现性，若不能实现，则剔除不能实现的推力器参数后继续执行剩余步骤；若能够实现，则直接继续执行剩余步骤。

4.如权利要求1所述的混合推力器性能优化方法，其特征在于，所述两组推力器为同类型或者为不同类型。

5.如权利要求1所述的混合推力器性能优化方法，其特征在于，所述推力器Ⅰ和推力器Ⅱ分别为离子推力器和霍尔推力器，表征离子推力器性能的参数为比冲，表征霍尔推力器性能的参数为推力。