CN108799033A - 一种降低霍尔推力器热负荷的方法 - Google Patents

一种降低霍尔推力器热负荷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于霍尔推进器技术领域，尤其涉及一种降低霍尔推力器热负荷的方法。它主要包括有如下步骤：建立热平衡模型；求解霍尔推力器的放电室能量损耗；确定热传导的边界条件；确定散热片内径大小；基于温度对磁场的影响，对磁场的性能进行评估。采用本发明的磁屏热优化方法，可以在磁场强度达到一定值的基础上，降低霍尔推力器的热负荷、优化磁屏温度分布与热流走向，在相关研究中为霍尔推力器的热磁相关性分析奠定了一定理论与实践基础。

Description

一种降低霍尔推力器热负荷的方法
所属技术领域
本发明属于霍尔推进器技术领域，尤其涉及一种降低霍尔推力器热负荷的方法。
背景技术
霍尔推力器是一种先进的电推进装置，其被广泛应用于卫星位置保持和姿态控制领域，并以其结构简单、高比冲、高效率等优点成为未来空间飞行器的首选推进装置。霍尔推力器通过在推力器中的推进剂被电场加速，并将电子约束在磁场中，利用电子电离推进剂，加速离子产生推力，并中和羽流中的离子。
然而，对于高功率霍尔推力器来说，若磁屏具有较高的热负荷，磁畴的排列也将受到不良影响，甚至使铁磁材料变为顺磁材料，从而大大降低推力器的效率。现有技术中并未给出相关的热优化方法或策略，因此，如何降低霍尔推力器的热负荷、优化磁屏温度分布与热流走向便成为本发明的主要解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的上述缺陷，本发明公开一种降低霍尔推力器热负荷的方法，它是采用以下技术方案来实现的。
一种降低霍尔推力器热负荷的方法，其特征在于：包括有如下步骤：
1）建立热平衡模型；霍尔推力器的能量损耗主要包括有放电室能量损耗、阴极能量损耗和励磁线圈能量损耗，其中，所述放电室能量损耗主要来源于离子能、阳极能、等离子体对壁面能量沉积、气体电离能、辐射能损耗等；
2）根据上述热平衡模型，求解霍尔推力器的放电室能量损耗，以及各项能量损耗占总能量损耗的占比，确定为放电室壁面能量损耗占比最高；
3）采用有限元分析方法建立放电室壁面热传导模型，结合傅里叶导热定律和能量守恒定律，对所述热传导模型中的各离散节点建立热流量平衡方程，同时确定上述热传导的边界条件，并通过实验验证基于该边界条件所得到的上述热传导的误差范围；若上述误差范围在所允许的误差范围阈值区间内，则判定认为仿真模型具有描述推力器温度分布的能力，若否，则重新确定边界条件，直到上述误差范围在所允许的误差范围阈值区间内；
4）分析散热片的内径大小对导磁组件温度分布的影响规律，确定散热片内径大小，但若考虑增强温度摊平的幅度和温降程度，在此基础上可适当增加散热片的内径尺寸，其中，R0为散热片与回转中心轴距离的最大值；
5）采用磁屏材料为纯铁，基于温度对磁场的影响，对磁场的性能进行评估；分别选取一定温度区间内各离散温度点值测量磁屏材料在同一位置处的磁场强度；其中，温度设置为200K左右对磁屏材料的磁场增强具有最大贡献。
作为本技术的进一步改进，所述步骤1)中，离子能量损耗Pb＝IbVb，Ib为束 电流，Vb一般为放电电压的90％以上；
其中，等离子体对壁面的能量沉积Piw＝IiwΔViw，其中，壁面入射离子电流ni为离子密度，e为电子数，vi为离子玻姆速度， A为放电室壁面有效面积，k为玻尔兹曼常数，Te为电子温度，M为电子质量；
其中，阳极能损耗为Pa＝IaΔVa，Ia为阳极入射电流，ΔVa为入射电子在阳极 的平均能量损耗；
其中，气体电离能为Pion＝(Ib+Iiw)U+，U+表示离子平均电离电压； 而辐射能损耗Prad为一常数。
作为本技术的进一步改进，所述步骤3）中的误差范围阈值区间设置为（9%，9.5%）；
作为本技术的进一步改进，所述步骤4）中优选散热片内径大小为0.45R0-0.55R0。
作为本技术的进一步改进，所述步骤5）中的一定温度区间内的各离散温度点值具体为100K、200K、300K、…、800K的温度。
采用本发明的磁屏热优化方法，可以在磁场强度达到一定值的基础上，降低霍尔推力器的热负荷、优化磁屏温度分布与热流走向，在相关研究中为霍尔推力器的热磁相关性分析奠定了理论与实践基础。
附图说明
图1是霍尔推进器能量总损耗分布示意图。
图2是放电室能量损耗各项损耗分布图。
图3是计算的变界条件。
图4是放电室内外壁的热流密度。
图5是阳极壁面的热流密度。
具体实施方式
如图1、2所示，霍尔推力器的能量损耗主要包括有放电室能量损耗、阴极能量损耗和励磁线圈能量损耗，其中，所述放电室能量损耗又主要来源于离子能、阳极能、等离子体对壁面能量沉积、气体电离能、辐射能损耗，这些能量损耗占整个放电室能量损耗的95%，因此，分析上述能量损耗对于分析霍尔推力器的能量损耗占比具有重大意义，也可为后续的热平衡方程的建立及变界条件的获取提供了基础。
如图3所示，离子对放电室壁面的热流密度和电子对阳极壁面的热流密度是通过PIC/MCC计算结果获取，关于PIC/MCC算法、壁面壳层模型和阳极电子沉积模型均可参考本领域内的关于霍尔推力器的粒子模拟算法。图4与图5分别为放电室内外壁的热流密度和阳极壁面的热流密度，其均取决于内/外壁面或阳极壁面的相关方向上的纵长。
本申请的具体实施例如下：
一种降低霍尔推力器热负荷的方法，其特征在于：包括有如下步骤：
1）建立热平衡模型；霍尔推力器的能量损耗主要包括有放电室能量损耗、阴极能量损耗和励磁线圈能量损耗，其中，所述放电室能量损耗主要来源于离子能、阳极能、等离子体对壁面能量沉积、气体电离能、辐射能损耗等；
2）根据上述热平衡模型，求解霍尔推力器的放电室能量损耗，以及各项能量损耗占总能量损耗的占比，确定为放电室壁面能量损耗占比最高；
3）采用有限元分析方法建立放电室壁面热传导模型，结合傅里叶导热定律和能量守恒定律，对所述热传导模型中的各离散节点建立热流量平衡方程，同时确定上述热传导的边界条件，并通过实验验证基于该边界条件所得到的上述热传导的误差范围；若上述误差范围在所允许的误差范围阈值区间内，则判定认为仿真模型具有描述推力器温度分布的能力，若否，则重新确定边界条件，直到上述误差范围在所允许的误差范围阈值区间内；
4）分析散热片的内径大小对导磁组件温度分布的影响规律，确定散热片内径大小，但若考虑增强温度摊平的幅度和温降程度，在此基础上可适当增加散热片的内径尺寸，其中，R0为散热片与回转中心轴距离的最大值；
5）采用磁屏材料为纯铁，基于温度对磁场的影响，对磁场的性能进行评估；分别选取一定温度区间内各离散温度点值测量磁屏材料在同一位置处的磁场强度；其中，温度设置为200K左右对磁屏材料的磁场增强具有最大贡献。
作为本技术的进一步改进，所述步骤1)中，离子能量损耗Pb＝IbVb，Ib为束 电流，Vb一般为放电电压的90％以上；
其中，等离子体对壁面的能量沉积Piw＝IiwΔViw，其中，壁面入射离子电流ni为离子密度，e为电子数，vi为离子玻姆速度， A为放电室壁面有效面积，k为玻尔兹曼常数，Te为电子温度，M为电子质量；
其中，阳极能损耗为Pa＝IaΔVa，Ia为阳极入射电流，ΔVa为入射电子在阳极 的平均能量损耗；
其中，气体电离能为Pion＝(Ib+Iiw)U+，U+表示离子平均电离电压； 而辐射能损耗Prad为一常数。
作为本技术的进一步改进，所述步骤3）中的误差范围阈值区间设置为（9%，9.5%）；
作为本技术的进一步改进，所述步骤4）中优选散热片内径大小为0.45R0-0.55R0。
作为本技术的进一步改进，所述步骤5）中的一定温度区间内的各离散温度点值具体为100K、200K、300K、…、800K的温度。
以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种降低霍尔推力器热负荷的方法，其特征在于：包括有如下步骤：
1）建立热平衡模型；霍尔推力器的能量损耗主要包括有放电室能量损耗、阴极能量损耗和励磁线圈能量损耗，其中，所述放电室能量损耗主要来源于离子能、阳极能、等离子体对壁面能量沉积、气体电离能、辐射能损耗等；
2）根据上述热平衡模型，求解霍尔推力器的放电室能量损耗，以及各项能量损耗占总能量损耗的占比，确定为放电室壁面能量损耗占比最高；
3）采用有限元分析方法建立放电室壁面热传导模型，结合傅里叶导热定律和能量守恒定律，对所述热传导模型中的各离散节点建立热流量平衡方程，同时确定上述热传导的边界条件，并通过实验验证基于该边界条件所得到的上述热传导的误差范围；若上述误差范围在所允许的误差范围阈值区间内，则判定认为仿真模型具有描述推力器温度分布的能力，若否，则重新确定边界条件，直到上述误差范围在所允许的误差范围阈值区间内；
4）分析散热片的内径大小对导磁组件温度分布的影响规律，确定散热片内径大小，但若考虑增强温度摊平的幅度和温降程度，在此基础上可适当增加散热片的内径尺寸，其中，R0为散热片与回转中心轴距离的最大值；
5）采用磁屏材料为纯铁，基于温度对磁场的影响，对磁场的性能进行评估；分别选取一定温度区间内各离散温度点值测量磁屏材料在同一位置处的磁场强度；其中，温度设置为200K左右对磁屏材料的磁场增强具有最大贡献。
2.根据权利要求1所述的一种降低霍尔推力器热负荷的方法，其特征在于：所述步骤1)中，离子能量损耗Pb＝IbVb，Ib为束电流，Vb一般为放电电压的90％以上；
其中，等离子体对壁面的能量沉积Piw＝IiwΔViw，其中，壁面入射离子电流ni为离子密度，e为电子数，vi为离子玻姆速度，A为放电室壁面有效面积，k为玻尔兹曼常数，Te为电子温度，M为电子质量；
其中，阳极能损耗为Pa＝IaΔVa，Ia为阳极入射电流，ΔVa为入射电子在阳极的平均能量损耗；
其中，气体电离能为Pion＝(Ib+Iiw)U+，U+表示离子平均电离电压；而辐射能损耗Prad为一常数。
3.根据权利要求1所述的一种降低霍尔推力器热负荷的方法，其特征在于：所述步骤3）中的误差范围阈值区间设置为（9%，9.5%）。
4.根据权利要求1所述的一种降低霍尔推力器热负荷的方法，其特征在于：所述步骤4）中优选散热片内径大小为0.45R0-0.55R0。
5.根据权利要求1所述的一种降低霍尔推力器热负荷的方法，其特征在于：所述步骤5）中的一定温度区间内的各离散温度点值具体为100K、200K、300K、…、800K的温度。
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