圓柱形霍爾推力器輪輻效應試驗研究

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1.成都理工大學工程技術學院，樂山 614000 2.核工業(yè)西南物理研究院，成都 610041 3.重慶文理學院，重慶 402160

圓柱形霍爾推力器輪輻效應試驗研究

桂兵儀1，唐德禮2，*，金凡亞2，田希3

1.成都理工大學工程技術學院，樂山 614000 2.核工業(yè)西南物理研究院，成都 610041 3.重慶文理學院，重慶 402160

為了研究圓柱形陽極層霍爾推力器運行過程中的輪輻效應(rotating spoke)旋轉頻率在相關工作參數影響下的變化規(guī)律，找出抑制輪輻效應的方法，采用了將環(huán)形陽極分成獨立兩段的設計方案，通過觀測兩個獨立陽極段之間的信號隨放電電壓、工質輸送速率等參數的變化來定性定量開展試驗研究。試驗觀測結果表明，該推力器在運行過程中，隨著放電電壓和氣壓的增加，輪輻效應旋轉頻率相應地獲得提高；在近陽極區(qū)域的輪輻效應是普遍存在的，即使是在高電壓的條件下；輪輻效應旋轉頻率主要在10～45 kHz;軸向電流振蕩在獨立陽極段總電流中約占50%。減小工質流量，降低放電電壓有利于抑制輪輻效應。

霍爾推力器；輪輻效應；近陽極區(qū)域；陽極段；振蕩

霍爾推力器的研究始于20世紀60年代，該推力器具有無柵加速特性,因其結構簡單、可靠性高且不存在空間電荷效應等優(yōu)勢,已經越來越受到航天、航空推力器以及工業(yè)離子源等領域的廣泛關注[1]。為了更好地了解和使用霍爾推力器，需要對交叉電磁場作用下等離子體放電過程中通道內的電子傳導進行探究，因為電子傳導會直接影響推力器的電機效率。在霍爾推力器運行的過程中，垂直于交叉電磁場方向的電子傳導水平有時不能用經典的碰撞機制來解釋，一些反常電子輸運被陸續(xù)發(fā)現和研究，其中輪輻效應受到了越來越多的關注[2]。電子在進行角向漂移時并不是各處均勻的，在方位角上會出現密度振蕩起伏變化，即輪輻效應(rotating spoke)。Chesta等將輪輻效應的形成歸結于電熱過程，如電離，但人們對具體的形成機制依舊不是很清楚[3]。

輪輻效應已經在大量的霍爾推力器以及交叉電磁場設備中被觀測到，Janes于1966年首次對輪輻效應不穩(wěn)定進行了試驗研究[4]。自此以后，人們已經從不同的方面對該現象進行了初步的試驗探究和數值模擬，其中主要包括存在條件、由其引起的電子軸向漂移以及部分工作參數對其影響等試驗研究。McDonald等以6 kW H6型號的霍爾推力器為試驗設備，記錄了運行過程中近陽極區(qū)域輪輻的數目m、振幅以及傳播速度與內部磁感應強度和放電電壓的關系，研究發(fā)現磁感應強度對輪輻效應的特性具有很大的影響，且在高電壓和磁感應強度下，輪輻效應依舊存在[5]。Ellison等利用高速相機和靜電探針對具有4段陽極的圓柱形霍爾推力器通道內輪輻效應引起的電流進行了直接測量，發(fā)現陽極段上電流主要是由輪輻效應引起的，這個輪輻效應對電子傳導具有促進作用[6]。在數值模擬方面，唐德禮等采用三維particle-in-cell數值模擬的方法，研究了增加磁場和壓強對圓柱形陽極層霍爾推力器正常運行過程中的輪輻效應現象的影響，模擬結果顯示輪輻效應在垂直于交叉電磁場方向的傳播速度只有電子漂移的37%，而且在高磁場的情況下輪輻效應更加明顯[2]。經過幾十年的研究，人們對輪輻效應已經有了初步的認識，但是依舊沒有形成統(tǒng)一的理論機制，需要更多可量化指標為該機制的建立提供依據。

本試驗所采用的是陽極層霍爾推力器，該推力器在結構和工作特性等方面已經得到了較為細致的研究[7-9]。本文定量分析輪輻效應的旋轉頻率與霍爾推力器工作參數的關系，為抑制這種輪輻效應、提高推力器的穩(wěn)定性找出合適的方案。

1 試驗裝置及測量方法

1.1試驗裝置介紹

本試驗所采用的是圓柱形陽極層霍爾推力器，該霍爾推力器的陽極經過分段處理，成為段口間距為3 mm的兩段，其二維結構示意與實物如圖1所示。此霍爾推力器的磁場由永恒磁鐵提供，并且對陽極以及外磁極都進行了倒角的處理，這種倒角結構有助于陽極表面附近的電場和磁場近似垂直，帶電粒子受到較大的電磁場共同作用力[10],同時增大了電子與陽極的接觸面積，改善了陽極尖端易被燒紅的缺陷[11]。

調試平臺由羅茨泵、機械泵和分子泵對真空室進行抽真空操作，真空度可達10-3Pa量級。試驗中采用可處于恒壓模式和恒流模式兩種工作狀態(tài)的12 kW Pinnacle AE直流電源為圓柱形陽極層霍爾推力器供電，所用電阻為兩個3 Ω的等值電阻。

圖1 圓柱形分段陽極霍爾推力器二維示意和實物Fig.1 Two dimensional structure and material object of the cylindrical

1.2 試驗測量方法

在放電通道內，輪輻效應通常出現在近陽極區(qū)域，因此在近陽極區(qū)域除了軸向電場E和徑向磁場B之外，還會產生一個由輪輻效應引起的方位角電場Eθ。由此可知，電子在通道內傳導的過程中除了受交叉電磁場E和B作用而產生角向漂移，還會受交叉電磁場Eθ和B作用而產生軸向漂移，最終這些軸向漂移的電子會在陽極沉積。打到陽極的總體電流的大部分是由輪輻效應引起的，且在陽極不同位置上由輪輻效應引起的電流振蕩是占主導地位的振蕩，電流振蕩的頻率與輪輻旋轉頻率相對應[12-13]。

輪輻的旋轉速度與電子垂直于交叉電磁場方向的角向漂移的速度并不是一致的，而是要遠遠小于角向漂移速度[14]?？紤]到如果將朗繆爾探針安置于放電通道內對輪輻頻率進行直接測量，那么這種靜電探針會對旋轉的輪輻的結構產生破壞，尤其是在探針鄰近區(qū)域[15]，會對測量結果產生影響。因此本試驗采用間接測量輪輻旋轉頻率的試驗測量方法，具體的試驗方案如圖2所示。

如之前所述，輪輻效應將使電子產生軸向漂移，這些軸向漂移的電子最終會打到陽極上，因此可以通過觀測陽極段上的電流信號的變化來間接測量出輪輻旋轉的頻率。在具體的試驗操作中，用示波器來探測A、C兩處電信號差的周期性變化，記錄這兩處信號差的頻率隨工作參數如放電電壓、氣體輸入速率等的變化，這個頻率與輪輻旋轉的頻率是同步的。同時還可以用示波器探測A、B之間以及C、D之間的信號，記錄陽極段上軸向電流的振蕩情況。

圖2 試驗電路Fig.2 Experimental measurement circuit diagram

2 試驗結果與分析

在本試驗中，圓柱形陽極層霍爾推力器運行過程中所使用的工作氣體為氬氣，12 kW Pinnacle AE直流電源工作于恒壓模式狀態(tài)。圖3為氣壓為0.034 Pa,放電電壓為350 V，放電電流為3.1 A的工作條件下，用示波器探測到的圓柱形陽極層霍爾推力器A、C兩處電信號差的變化，即兩個陽極段之間的電信號差。其中橫坐標表示各個時刻，每格為20 μs，縱坐標表示每個時刻所測電壓大小，每格10 V。從圖3可以看出，電信號近似呈周期性變化，頻率大小為25 kHz。

圖3 A和C之間的電信號Fig.3 Fluctuation of electrical signal between anode section A and C

2.1 放電電壓對輪輻旋轉頻率的影響

圖4記錄了圓柱形陽極層霍爾推力器兩個陽極段之間的電信號在不同氣壓條件下放電電壓對信號頻率的影響?？梢钥吹皆诤銐耗Ｊ竭\行條件下，當氣壓保持不變時，輪輻旋轉的頻率隨著放電電壓的增大而有所提高，但從總體上來看，輪輻旋轉頻率的大小始終處于10 kHz這個數量級。從圖4中曲線的上升趨勢可以看出，氣壓越高輪輻旋轉頻率升高得就越快。由Janes,Esipchuk,Chest等的試驗和理論研究可知[3-4,16]，輪輻的產生與中性氣體的離子化相關。霍爾推力器中，認為電子漂移的速度和電子能量與E/B成正比，在相同的氣壓條件下，當放電電壓增大時，近陽極段區(qū)域的電勢梯度變大，電子將以更高的速度和能量去漂移，電子團的旋轉頻率也相應變快。

圖4 放電電壓對輪輻旋轉頻率的影響Fig.4 Effect of discharge voltage on the rotation spoke frequency

圖5 高電壓運行條件下放電電壓對輪輻旋轉頻率的影響Fig.5 The influence of discharge voltage on the rotation frequency of spokes under high voltage operating conditions

在上述試驗中，圓柱形陽極層霍爾推力器都處于低電壓放電的運行條件下?，F考慮輪輻效應在高電壓的條件下是否存在，如果存在則進一步探查其與放電電壓之間的關系。根據該霍爾推力器低氣壓、低電流、高電壓的放電特性[17],將真空室氣壓設定在0.025 Pa進行試驗研究。試驗所得數據如圖5所示，輪輻在高放電電壓條件下依舊存在,并且隨著放電電壓增大而加速。由此可見，無論是在高電壓條件下還是在低電壓條件下，輪輻在霍爾推力器運行過程中普遍存在，輪輻效應可能是霍爾推力器的固有屬性，與運行條件無關。由前面的試驗可得，輪輻旋轉的頻率主要在10～45 kHz。由試驗還發(fā)現，放電電壓越高，輪輻效應越明顯，如圖6所示，振幅大小從3.8 V變?yōu)?0 V。

圖6 推力器處于0.034 Pa，電勢差的振蕩情況Fig.6 Oscillation of potential difference under 0.034 Pa

2.2 氣壓對輪輻旋轉頻率的影響

試驗過程中，通過提高氬氣的進氣流速來提高真空腔內的氣壓，氣壓越大，霍爾推力器放電通道內的氬粒子濃度則越大。圖7記錄了圓柱形陽極層霍爾推力器在恒壓模式的運行過程中，改變真空室內的氣壓條件對輪輻旋轉頻率的影響，此時霍爾推力器的放電電壓保持320 V不變。由圖7可以看出，當放電電壓保持不變時，隨著氣壓的升高，輪輻旋轉頻率也會相應得到提高。在試驗過程中發(fā)現最佳氣壓范圍是0.03～0.05 Pa，在這個氣壓范圍內可以得到較為穩(wěn)定的周期性信號。試驗中還發(fā)現氣壓越大，周期信號振幅越大，即輪輻效應越明顯，如圖8所示，振幅大小從9.6 V變?yōu)?1.2 V。

圖7 氣壓對輪輻旋轉頻率的影響Fig.7 Influence of air pressure on rotating spoke frequency

圖8 推力器處于320 V時電勢差的振蕩情況Fig.8 Oscillation of potential difference under 320 V

2.3 每個陽極段放電電流中交流振蕩電流所占比率

在圓柱形陽極層霍爾推力器運行過程中，通過示波器同時測量在不同放電參數條件下A、B之間以及C、D之間的電信號，如圖9所示，其中橫坐標表示各個時刻，每格10 μs，縱坐標表示每個時刻所測電壓大小，每格5 V。圖9顯示了每個陽極段電信號中軸向交流振蕩的有效值在獨立陽極段總電流中所占的比例。試驗發(fā)現，兩個陽極段上的交流振蕩比率近似相等，表1為其中一段陽極在不同運行條件下的比率值。如表1所示，陽極段上電流振蕩的比率高達50%左右，由Ellison 和McDonald等的工作結果可知，由輪輻效應引起的軸向電流振蕩在近陽極段區(qū)域是占主導地位的電流振蕩[6，12]。由此可見，抑制輪輻效應對提高霍爾推力器的穩(wěn)定性具有重大作用，這將是今后工作中需要考慮的重點。

圖9 兩個獨立陽極段上的電信號振蕩情況Fig.9 Current oscillations in two independent anodes

表1 陽極段上軸向電流振蕩在平均總電流中所占比例Table 1 Ratio of axial current oscillation in the anode segment to the average total current

3 結束語

本試驗通過對圓柱形陽極層霍爾推力器環(huán)形陽極進行分段的方法，對輪輻旋轉頻率以及軸向電流振蕩進行了試驗探究，得到的主要結論如下：

1)在圓柱形陽極層霍爾推力器正常運行過程中，輪輻頻率隨著放電電壓、工質輸送速率的升高而逐漸增大，頻率的范圍主要在10～45 kHz之間，遠小于呼吸震蕩，屬于低頻震蕩的范疇?？紤]到所測放電信號的穩(wěn)定性，最佳的氣壓范圍是0.03～0.05 Pa，氣壓過高和過低都會對輪輻的穩(wěn)定性產生影響。

2)輪輻效應在霍爾推力器運行過程中近陽極區(qū)域是十分常見的，即使在高電壓或高功率條件下依舊存在。這可能是霍爾推力器的固有屬性，與運行條件無關。

3)軸向電流振蕩在獨立陽極段總電流中占據主導地位。由此可知，輪輻效應對陽極段上電子的沉積具有很大的影響。抑制輪輻效應對提高霍爾推力器的穩(wěn)定性具有重大作用。

4)裝置保持正常放電狀態(tài)，當減小工質流量來降低真空室氣壓時或者降低放電電壓時，特征信號則越來越不明顯。這說明減小工質流量，降低放電電壓有利于抑制輪輻效應。

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(編輯：高珍)

ResearchonrotatingspokebyusingthecylindricalHallthrustersegmentedanode

GUI Bingyi1，TANG Deli2,*，JIN Fanya2，TIAN Xi3

1.TheEngineering&TechnicalCollegeofChengduUniversityofTechnology，Leshan614000，China2.SouthwesternInstituteofPhysics，Chengdu610041，China3.ChongqingUniversityofArtsandSciences，Chongqing402160，China

In order to study the variation of rotating spoke frequency of the cylindrical hall plasma thruster in related working parameters,and to find out the method to restrain the rotating spoke,the annular anode was divided into two independent segments.By measuring the electrical signal between the two independent anode sections with discharge voltage，discharge current and delivering rate of propellant and so on,the spoke phenomenon was qualitatively and quantitatively analyzed.The results indicate that the rotating spoke frequency observably increases with the increase of discharge voltage and pressure.And the spoke rotating phenomenon in the near anode region is generally present,even in high voltage conditions.The frequency of rotating spoke is mainly 10～45 kHz.The axial current oscillation accounts for about 50% of the total current in the isolated anode segment.Reducing the flow of working fluid and the discharge voltage is beneficial to suppress rotating spoke.

Hall thruster; rotating spoke; near anode region;anode segment;oscillation

http://zgkj.cast.cn

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0076

V439

A

2017-05-22；

2017-08-30；錄用日期2017-09-12；< class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-09-24 16:01:01

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170924.1601.005.html

四川省應用基礎研究項目(2017JY0041)；四川省青年科技創(chuàng)新研究團隊專項計劃(2016TD0015)

桂兵儀(1991-)，男，碩士研究生，guibingyi@163.com,研究方向為低溫等離子體應用

*通訊作者：唐德禮(1969-)，男，研究員，tangdeli@263.net,研究方向為離子源、低溫等離子體及其應用

桂兵儀,唐德禮,金凡亞,等.圓柱形霍爾推力器輪輻效應試驗研究[J].中國空間科學技術,2017,37(5)：54-59.GUIBY,TANGDL,JINFY,etal.ResearchonrotatingspokebyusingthecylindricalHallthrustersegmentedanode[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2017,37(5)：54-59 (inChinese).