30 cm氙離子推力器磁場特性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

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蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

30 cm氙離子推力器磁場特性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

胡竟，王亮，張?zhí)炱?，江豪成

蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

放電室磁場設(shè)計(jì)直接影響放電室的放電穩(wěn)定性及推力器在軌工作壽命，針對多種工作模式下30 cm氙離子推力器磁場設(shè)計(jì)的復(fù)雜性問題，對推力器電磁體磁場向永磁體磁場轉(zhuǎn)換中放電室的磁場特性進(jìn)行了研究，并對永磁體磁場的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立30 cm氙離子推力器放電室磁場轉(zhuǎn)換的磁路模型，運(yùn)用有限元分析理論，利用實(shí)際工程數(shù)據(jù)驗(yàn)證磁路模型計(jì)算結(jié)果的正確性與方法的可行性。在此基礎(chǔ)上，分析獲得給定磁路構(gòu)型下產(chǎn)生要求磁感應(yīng)強(qiáng)度的永磁體關(guān)鍵尺寸。以放電室工作陽極震蕩電壓、減速柵極電流、加速柵極電流和磁路系統(tǒng)質(zhì)量為目標(biāo)，采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法，對永磁體的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到30 cm氙離子推力器設(shè)計(jì)性能目標(biāo)下的磁路構(gòu)型最優(yōu)結(jié)果。本研究可為高效、穩(wěn)定工作的離子推力器磁路設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供方法。

離子推力器；電磁體；永磁體；磁路模型；優(yōu)化設(shè)計(jì)

離子推力器以比沖高、壽命長、工作模式精確可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)在航天器位置保持、姿態(tài)控制及軌道轉(zhuǎn)移等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1-5]。直接包絡(luò)等離子體的放電室是離子推力器的關(guān)鍵部件之一，有著支撐放電并保證穩(wěn)定放電的功能。放電室磁場結(jié)構(gòu)的合理與否直接影響到離子推力器整機(jī)的工作穩(wěn)定性與可靠性，也是制約離子電推進(jìn)系統(tǒng)長壽命可實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。而離子推力器之所以能夠?qū)崿F(xiàn)多種模式下高效、可靠、穩(wěn)定的工作，就是因?yàn)橥屏ζ鞣烹娛彝負(fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合考慮了放電室磁場強(qiáng)弱變化或磁路構(gòu)型變化等因素對離子推力器工作效率、放電損耗、陽極震蕩電壓及工作穩(wěn)定性的影響。

針對離子推力器在軌工作過程中遇到的各種工作模式對放電室磁場進(jìn)行“匹配性”設(shè)計(jì)是離子電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。事實(shí)上，對于惡劣的在軌工作環(huán)境及苛刻的工作要求，離子推力器放電室拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要通過調(diào)整放電室關(guān)鍵點(diǎn)磁場強(qiáng)弱及放電室整體磁場構(gòu)型，形成最優(yōu)的放電室拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，兼顧離子推力器在不同工作模式下的放電室差異化磁場需求，以有效地控制推進(jìn)劑的電離及等離子體的流動(dòng)，滿足放電室內(nèi)離子生成與柵極組件離子引出之間的動(dòng)態(tài)平衡，保持放電的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)離子推力器高效、穩(wěn)定、可靠的工作。

在20 cm氙離子推力器成功實(shí)現(xiàn)在軌首飛驗(yàn)證[6]的基礎(chǔ)上，針對更大推力、更高比沖、更長壽命的應(yīng)用需求，通過繼承20 cm氙離子推力器成熟技術(shù)，并結(jié)合美國XIPS-25[7-8]、NSTAR-30[9-10]及NEXT-40[11-13]等類型離子推力器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，30 cm氙離子推力器采用沿放電室屏柵筒外表面平行布置柱狀永磁體的磁場結(jié)構(gòu)。同時(shí)，將永磁體兩端的磁極靴延伸至放電室內(nèi)部，使磁力線通過磁極靴均勻分布在放電室壁面周圍，而在放電室內(nèi)部及柵極組件區(qū)域分布較少，形成較大范圍的“磁空區(qū)”，以有效約束電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，并抑制放電室內(nèi)部等離子震蕩。

關(guān)于離子推力器的磁場設(shè)計(jì)技術(shù)，見諸報(bào)道的技術(shù)資料甚少，尤其是缺少詳細(xì)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與方法相關(guān)資料。但從可見的報(bào)道中推測，為準(zhǔn)確、快速建立放電室基本磁場構(gòu)型及其分布，在離子推力器研制初期，其放電室磁場設(shè)計(jì)與分析多采用三維有限元方法。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)時(shí)可調(diào)的突出優(yōu)勢，通過調(diào)節(jié)電磁鐵工作參數(shù)從而確定離子推力器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作所需最優(yōu)磁場參數(shù)；此后采用各種方法將已確定的電磁體狀態(tài)下的放電室磁感應(yīng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為永磁體狀態(tài)下的磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)電磁體磁場向永磁體磁場的磁路匹配性轉(zhuǎn)換。而對于需在多種工作模式下高效、穩(wěn)定工作離子推力器，其放電室磁場設(shè)計(jì)更是如此。

有鑒于此，本文建立了30 cm氙離子推力器放電室磁場轉(zhuǎn)換的磁路模型，運(yùn)用有限元分析理論，利用實(shí)際工程數(shù)據(jù)驗(yàn)證磁路模型計(jì)算結(jié)果的正確性與方法的可行性。在此基礎(chǔ)上，分析獲得了給定磁路構(gòu)型下產(chǎn)生要求磁感應(yīng)強(qiáng)度及分布的永磁體關(guān)鍵尺寸，將離子推力器永磁體與電磁體兩種狀態(tài)下的性能進(jìn)行對比，二者性能基本一致，實(shí)現(xiàn)了磁路轉(zhuǎn)換的目的。并以放電室陽極震蕩電壓、減速柵電流、加速柵電流和磁路系統(tǒng)質(zhì)量為目標(biāo)，采用粒子群多目標(biāo)優(yōu)化算法，對永磁體的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到30 cm氙離子推力器設(shè)計(jì)性能目標(biāo)下的磁路構(gòu)型最優(yōu)結(jié)果。研究可為高效、穩(wěn)定工作的離子推力器磁路設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供方法。

1 放電室磁場數(shù)值分析

30 cm氙離子推力器放電室磁場結(jié)構(gòu)主要由磁體及磁極靴組成，針對其多模式高效、穩(wěn)定工作需求，對磁體及磁極靴開展放電室結(jié)構(gòu)的“匹配性”設(shè)計(jì)即可獲得實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)所需的磁場構(gòu)型及磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。如圖1所示為30 cm氙離子推力器放電室磁場結(jié)構(gòu)示意。

圖1 30 cm氙離子推力器放電室結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Diagram of 30 cm xenon thruster discharge chamber

如圖1所示，區(qū)別于20 cm氙離子推力器放電室三級磁極靴結(jié)構(gòu)[14]，為進(jìn)一步優(yōu)化放電室原初電子路徑，提高整機(jī)性能，借鑒美國NEXT-40離子推力器[15]放電室磁場結(jié)構(gòu)，30 cm氙離子推力器在放電室錐段增加了一級磁極靴，形成了四級磁極靴結(jié)構(gòu)。

1.1 磁路模型建立

30 cm氙離子推力器放電室磁場磁路模型如圖2所示。由圖2可知，30 cm氙離子推力器放電室磁場磁通除磁體、磁極靴及工作間隙構(gòu)成的主磁路外，還有磁體、磁極靴對外圍結(jié)構(gòu)的漏磁通路。

圖2中柱段磁體、中間磁體及錐段磁體的磁動(dòng)勢和磁阻分別用Fm1、Fm2、Fm3和Rm1、Rm2、Rm3表示，RFe1、RFe2、RFe3和RFe4分別為柵極磁極靴、中間磁極靴、錐段磁極靴和陰極磁極靴軟磁材料的非線性磁阻；Rδ為放電室內(nèi)磁極靴之間的工作間隙磁阻；Rσ為磁體及磁極靴對外圍結(jié)構(gòu)的漏磁阻。

圖2 30 cm氙離子推力器磁場磁路模型Fig.2 Magnetic circuit model of 30 cm xenon ion thruster discharge chamber

Rδ通過解析法進(jìn)行求解[16]，進(jìn)而得到柵極磁極靴與中間磁極靴、中間磁極靴與錐段磁極靴及錐段磁極靴與陰極磁極靴工作間隙總磁通。

基于圖2所示30 cm氙離子推力器放電室磁場磁路模型，結(jié)合30 cm氙離子推力器電磁體放電室結(jié)構(gòu)，采用有限元分析理論，構(gòu)建了30 cm氙離子推力器電磁體結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖3所示。在有限元模型構(gòu)建過程中，忽略了由加工誤差引起且對放電室磁場結(jié)構(gòu)分析影響較小的磁體與磁極靴之間的配合間隙。該模型可用于研究30 cm氙離子推力器柱段電磁體、中間電磁體及錐段電磁體通以不同量值勵(lì)磁電流時(shí)放電室磁感應(yīng)強(qiáng)度變化及其分布規(guī)律。

圖3 30 cm氙離子推力器電磁體結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.3 FEM model of electromagnet structure for 30 cm xenon ion thruster

1.2 模擬結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于磁場磁路模型所構(gòu)建的30 cm氙離子推力器電磁體結(jié)構(gòu)有限元模型和分析方法的可行性和正確性，本文利用高精度多維磁場測試系統(tǒng)對30 cm氙離子推力器電磁體結(jié)構(gòu)樣機(jī)在柱段電磁體通以5.6 A，中間電磁體通以6.0 A，以及錐段電磁體通以6.0 A電流時(shí)的放電室磁感應(yīng)強(qiáng)度及其分布特點(diǎn)進(jìn)行了測試。

對標(biāo)圖1所示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)A～F六個(gè)點(diǎn)的實(shí)際位置，在有限元模型相應(yīng)位置同樣設(shè)置了A～F六個(gè)點(diǎn)分別監(jiān)測其磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值。通過模擬得到各電磁體通以相同工作電流時(shí)監(jiān)測點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度平均值，將其與現(xiàn)場測試中相應(yīng)位置的測試磁感應(yīng)強(qiáng)度平均值比較，如表1所示。

表1 數(shù)值模擬與現(xiàn)場測試結(jié)果對比Table 1 Comparison between simulation and experimental results

表1表明，監(jiān)測點(diǎn)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度模擬結(jié)果與實(shí)際測試值基本一致，二者誤差控制在合理范圍內(nèi)，表明基于磁場磁路模型所構(gòu)建的30 cm氙離子推力器電磁體結(jié)構(gòu)有限元模型和分析方法的可行性，通過該理論方法開展30 cm氙離子推力器放電室磁場特性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)是有效的。

2 放電室磁路轉(zhuǎn)換與分析計(jì)算

2.1磁路轉(zhuǎn)換過程

30 cm氙離子推力器磁路轉(zhuǎn)換以獲得給定磁路構(gòu)型下可產(chǎn)生與電磁體放電室磁感應(yīng)強(qiáng)度及其分布狀態(tài)相同的永磁體關(guān)鍵尺寸為目標(biāo)。針對30 cm氙離子推力器長壽命、高可靠應(yīng)用要求及其工作過程中的高溫環(huán)境特點(diǎn)，放電室磁路系統(tǒng)中永磁體的耐高溫性能及磁性能的穩(wěn)定性與可靠性是磁路轉(zhuǎn)換中需重點(diǎn)考慮的因素。

高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的稀土鈷永磁材料是20世紀(jì)60年代中期興起的高性能永磁材料，具有高剩磁、高內(nèi)稟矯頑力，低溫度系數(shù)和高使用溫度的特點(diǎn)。基于在軌特殊的使用需求，并結(jié)合2︰17型釤鈷永磁材料優(yōu)異的耐高溫性能和磁穩(wěn)定性[17-18]，30 cm氙離子推力器選用2︰17型耐高溫釤鈷永磁材料作為放電室磁路系統(tǒng)的核心，以期為推力器提供所需的磁路構(gòu)型、磁感應(yīng)強(qiáng)度分布及其磁性能壽命需求。

以30 cm氙離子推力器電磁體結(jié)構(gòu)樣機(jī)在柱段電磁體通以5.6 A，中間電磁體通以6.0 A,以及錐段電磁體通以6.0 A電流時(shí)的放電室磁感應(yīng)強(qiáng)度及其分布為轉(zhuǎn)換目標(biāo)，借鑒圖3所示電磁體結(jié)構(gòu)有限元模型，結(jié)合適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置，利用稀土鈷永磁材料的高溫磁性能參數(shù)指標(biāo)，通過調(diào)整柱段永磁體、中間永磁體及錐段永磁體結(jié)構(gòu)尺寸，即可獲得給定磁路構(gòu)型下產(chǎn)生要求磁感應(yīng)強(qiáng)度及其分布的永磁體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸。

2.2 轉(zhuǎn)換結(jié)果驗(yàn)證

表2所列為磁路轉(zhuǎn)換后的柱段永磁體、中間永磁體及錐段永磁體結(jié)構(gòu)尺寸。在磁極靴狀態(tài)完全一致的情況下，永磁體狀態(tài)的放電室磁感應(yīng)強(qiáng)度及其分布與電磁體基本一致。

表2 永磁體結(jié)構(gòu)尺寸Table 2 Dimension of permanent magnet

為驗(yàn)證30 cm氙離子推力器磁路轉(zhuǎn)換后工作性能的變化情況，在除磁體外的相關(guān)試驗(yàn)條件、結(jié)構(gòu)組成及狀態(tài)、過程控制基本保持一致的情況下對采用表2所列永磁體結(jié)構(gòu)尺寸的30 cm氙離子推力器永磁體結(jié)構(gòu)樣機(jī)進(jìn)行了工作性能測試，并將其與電磁體結(jié)構(gòu)樣機(jī)的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行了對比，如表3所列。

表3 磁路轉(zhuǎn)換前后性能對比Table 3 Performance comparison of before and after magnetic conversion

如表3所列，在屏柵電流保持一致的情況下，磁路轉(zhuǎn)換之后，永磁體樣機(jī)的關(guān)鍵性能與電磁體樣機(jī)基本保持一致，二者誤差控制在合理范圍內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)了放電室電磁體結(jié)構(gòu)向永磁體結(jié)構(gòu)的磁路轉(zhuǎn)換。也再次驗(yàn)證了30 cm氙離子推力器放電室磁場磁路模型及其分析方法的可行性和有效性。

3 磁路構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)

30 cm氙離子推力器的應(yīng)用對象為某新型公用衛(wèi)星平臺(tái)，平臺(tái)要求推力器在軌服役壽命至少達(dá)到15年，且壽命末期的可靠性不得低于0.98。針對其長壽命、高可靠應(yīng)用要求，并結(jié)合20 cm氙離子推力器壽命試驗(yàn)結(jié)果[19]，分析可知，離子推力器放電室工作陽極震蕩電壓、減速柵極電流及加速柵極電流推力器性能和壽命的影響程度和方式不同。磁路構(gòu)型優(yōu)化的目的是針對磁路系統(tǒng)數(shù)學(xué)算法模型，尋求各敏感參數(shù)之間的最佳組合，使得30 cm氙離子推力器工作性能最優(yōu)，并滿足其壽命和可靠度要求。

圍繞上述應(yīng)用需求及優(yōu)化目標(biāo)，采用粒子群優(yōu)化算法[19]對磁路構(gòu)型進(jìn)行多維優(yōu)化。

3.1 多目標(biāo)粒子群算法

粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)是一種基于群體協(xié)作的隨機(jī)搜索方法，在航空、航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制中有廣泛應(yīng)用[20-24]。

在粒子群算法中，粒子群由m個(gè)粒子構(gòu)成，每個(gè)粒子均包括D維位置矢量xi=(xi1，xi2，…，xid，…，xiD)和D維速度矢量vi=(vi1，vi2，…，vid，…，viD)。求解最優(yōu)問題時(shí)，根據(jù)事先設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)，粒子群在D維空間內(nèi)以速度vi飛行搜索可能的最優(yōu)解，計(jì)算zi當(dāng)前的適應(yīng)值即可衡量粒子位置的優(yōu)劣，最終決定當(dāng)前解是否為最優(yōu)解。

每個(gè)粒子根據(jù)適應(yīng)值保存當(dāng)前搜索到的最優(yōu)解pi=(pi1，pi2，…，pid，…piD)，以及整個(gè)粒子的整體最優(yōu)解pgd=(pg1，pg2，…，pgd，…，pgD)。每次迭代分析中，粒子更新下一步的速度和位置：

式中：下標(biāo)i=1，2，…，m為粒子編號；下標(biāo)d=1，2，…，D；上標(biāo)k為迭代次數(shù)；r1和r2為[0，1]間的隨機(jī)數(shù)，用來保持群體多樣性；c1和c2為加速因子，用以表征粒子向自身歷史最優(yōu)點(diǎn)及群體內(nèi)歷史最優(yōu)點(diǎn)靠近的能力。

當(dāng)優(yōu)化求解問題存在多個(gè)子目標(biāo)函數(shù)時(shí)，稱為多目標(biāo)粒子群優(yōu)化。此時(shí)的全局最優(yōu)解并非各子目標(biāo)均為最優(yōu)解，只是非劣解的集合，即Pareto解集。多目標(biāo)優(yōu)化算法的計(jì)算流程如圖4所示。

圖4 粒子群優(yōu)化算法的計(jì)算流程Fig.4 Calculation flow chart of PSO

3.2 優(yōu)化模型

綜合考慮30cm氙離子推力器在平臺(tái)中的工作效能和應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性，以推力器的工作功耗、推力、比沖、壽命及整機(jī)質(zhì)量等關(guān)鍵性能指標(biāo)均滿足整星要求為前提，將優(yōu)化目標(biāo)確定為：1)陽極震蕩電壓最??；2)減速柵極電流最??；3)加速柵極電流最??；4)磁路系統(tǒng)質(zhì)量最低。約束條件為：沿推力器x、y和z方向的一階模態(tài)頻率分別不小于240 Hz、240 Hz和250 Hz。選取磁路結(jié)構(gòu)中磁體直徑、錐段磁極靴和中間磁極靴內(nèi)徑、陰極磁極靴和柵極磁極靴高度及磁極靴厚度為設(shè)計(jì)變量，共選取了11個(gè)設(shè)計(jì)變量，其范圍為：磁體直徑Φ6.5～Φ11.2 mm，錐段磁極靴內(nèi)徑Φ198～Φ208 mm，中間磁極靴內(nèi)徑Φ290～Φ298 mm，陰極磁極靴高度6.3～8.5 mm，柵極磁極靴高度4.5～11.6 mm，磁極靴厚度2～4 mm。

綜上所述，30 cm氙離子推力器磁路構(gòu)型的優(yōu)化模型可表述如下：

式中：d1、d2和d3分別為柱段磁體、中間磁體和錐段磁體的直徑；dc為錐段磁極靴內(nèi)徑；dm為中間磁極靴內(nèi)徑；h為陰極磁極靴高度；l為柵極磁極靴高度；t1、t2、t3和t4分別為柵極磁極靴、中間磁極靴、錐段磁極靴和陰極磁極靴厚度；Vmin為陽極震蕩電壓最小值；Idmin為減速柵極電流最小值；Iamin為減速柵極電流最小值；mmin為磁路系統(tǒng)質(zhì)量最小值；fx、fy和fz分別為模態(tài)頻率。

3.3 分析結(jié)果與結(jié)果驗(yàn)證

在MATLAB軟件中利用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法分析30 cm氙離子推力器磁路構(gòu)型陣列參數(shù)。主要程序的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

經(jīng)過多次迭代，粒子群最終收斂于系統(tǒng)最佳工作狀態(tài)。為驗(yàn)證基于多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法獲得的30 cm氙離子推力器磁路構(gòu)型優(yōu)劣，在除磁體外的推力器狀態(tài)、試驗(yàn)條件與過程控制均保持一致的情況下，依據(jù)粒子群迭代優(yōu)化結(jié)果，對磁路構(gòu)型優(yōu)化前后30 cm氙離子推力器性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)測試。

基于優(yōu)化前提與目標(biāo)，并結(jié)合試驗(yàn)測試結(jié)果，從符合工程化應(yīng)用的角度確定了永磁體結(jié)構(gòu)尺寸，如表4所列。

表4 永磁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化尺寸Table 4 Optimized dimension of permanent magnet

圖5 磁路構(gòu)型多目標(biāo)優(yōu)化程序流程Fig.5 PSO program flow chart of magnetic configuration

如圖6所示為磁路構(gòu)型優(yōu)化后30 cm氙離子推力器引束流工作狀態(tài)。如表5所列為30 cm氙離子推力器磁路構(gòu)型優(yōu)化前后性能對比。

如表5所列，在屏柵電流保持一致的情況下，除減速柵電流外，磁路構(gòu)型優(yōu)化后的推力器性能均優(yōu)于優(yōu)化前的性能狀態(tài)，基本實(shí)現(xiàn)了磁路構(gòu)型優(yōu)化的目標(biāo)。同時(shí)，也驗(yàn)證了基于多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行30 cm氙離子推力器磁路特性優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性和合理性。

圖6 磁路構(gòu)型優(yōu)化后推力器引束流狀態(tài)Fig.6 Working condition of 30 cm xenon ion thruster

表5 30 cm氙離子推力器磁路優(yōu)化前后性能對比Table 5 Performance comparison of before and after optimization

4 結(jié)束語

針對多種工作模式下30 cm氙離子推力器磁場設(shè)計(jì)的復(fù)雜性問題，本文研究了30 cm氙離子推力器電磁體磁場向永磁體磁場轉(zhuǎn)換的放電室磁場特性，并對永磁體磁場的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以得到以下結(jié)論：

1)構(gòu)建了30 cm氙離子推力器放電室磁場磁路模型，利用實(shí)際工程數(shù)據(jù)驗(yàn)證了磁路模型計(jì)算結(jié)果的正確性與方法的可行性，為離子推力器放電室磁場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供分析支持；

2)在工作模式相同的情況下，磁路轉(zhuǎn)換后的30 cm氙離子推力器永磁體樣機(jī)性能與電磁體樣機(jī)基本一致，二者誤差控制在合理范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了磁路轉(zhuǎn)換的目標(biāo)和效果；

3)采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法開展了30 cm氙離子推力器放電室磁路構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)，放電室工作陽極震蕩電壓、減速柵極電流、加速柵極電流和磁路系統(tǒng)質(zhì)量得以改善，為包括柵極組件、空心陰極在內(nèi)的離子推力器關(guān)鍵部組件及整機(jī)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提高技術(shù)支撐。

本項(xiàng)目的下一階段將對30 cm氙離子推力器磁路系統(tǒng)與柵極組件、空心陰極等部組件間的性能匹配性開展分析研究，實(shí)現(xiàn)磁場、柵極及陰極間的最優(yōu)組合。

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(編輯：車曉玲)

Magneticfieldcharacteristicsanalysisandoptimizationdesignof30cmxenonionthruster

HU Jing，WANG Liang，ZHANG Tianping*，JIANG Haocheng

NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonVacuumTechnologyandPhysicsLaboratory，LanzhouInstituteofSpaceTechnologyandPhysics，Lanzhou730000，China

The magnetic field design directly influences the stability and the in-orbit life of the discharge chamber.Aiming at the complexity of the 30 cm xenon ion thruster magnetic field design in variety of operating modes，the magnetic circuit characteristics was analyzed during the conversion between the electromagnet and permanent magnet.And the key parameters of the permanent magnet were optimized.The magnetic circuit model of the 30 cm xenon ion thruster was established，combined with the finite element method，the effectiveness and feasiblity of this method was validated by compared with the job site data.Based on this model，the key parameters of the permanent magnet which could produce requested magnetic induction intensity were obtained.Then the key parameters of the permanent magnet were optimized by using multiobjective particle swarm optimization (MPSO) algorithm，with the goal of the minimum anode shock voltage，accelerator grid current，decelerator grid current and magnetic circuit system weight system，and the relevant optimal result of magnetic circuit configuration for 30 cm xenon ion thruster was observed．Above research will certainly provide a method for the design and optimization of the ion thruster.

ion thruster；electromagnet；permanent magnet；magnetic circuit model；optimization design

http://zgkj.cast.cn

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0068

V439+.4

A

2017-03-20；

2017-07-17；錄用日期2017-09-12；< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2017-09-24 16:01:08

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170924.1601.010.html

裝備預(yù)先研究項(xiàng)目基金(414230605XX)；國家自然科學(xué)基金(61601210)

胡竟(1988-)，男，工程師，hjing37615486@163.com,研究方向?yàn)榉烹姷入x子電推力器技術(shù)與應(yīng)用

*通訊作者：張?zhí)炱?1963-)，男，研究員，ztp510@aliyun.com，研究方向?yàn)榉烹姷入x子電推力器技術(shù)與應(yīng)用

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