趙震,程佳兵,康小錄,*
1. 上??臻g推進(jìn)研究所,上海 201112 2. 上??臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心,上海 201112
霍爾推力器壽命的主要制約因素是放電室壁面受到的離子轟擊削蝕,隨著工作時(shí)間增加,放電室出口壁面被削蝕至暴露磁路部件,引起推力器工作失穩(wěn)、性能驟降,最終推力器失效。近年來,美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)率先提出了磁屏蔽(magnetic shielding),利用平行于內(nèi)、外陶瓷壁面的磁場構(gòu)型來顯著降低離子對(duì)壁面的削蝕,大幅提高霍爾推力器壽命[1-2]。Mikellides和Hofer分別從理論和試驗(yàn)證明了磁屏蔽拓展霍爾推力器壽命的有效性,研究表明磁屏蔽使霍爾推力器的壁面削蝕速率降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)[3-5]。目前,國際上開展磁屏蔽技術(shù)研究較充分的有美國、意大利和俄羅斯等國。上海推進(jìn)研究所是中國最早開展磁屏蔽技術(shù)研究的機(jī)構(gòu),已成功研制5 kW磁屏蔽霍爾推力器[6]。
隨著功率的提高,霍爾推力器將面臨更嚴(yán)峻的熱問題[7],推力器工作時(shí)磁路系統(tǒng)受高溫影響,磁路結(jié)構(gòu)所采用的軟磁材料隨著溫度的升高,其導(dǎo)磁性能呈現(xiàn)衰減趨勢,磁場位形隨之發(fā)生變化。目前,霍爾推力器磁場仿真都是針對(duì)常溫下霍爾推力器的磁場分布展開的,因此,常溫下仿真結(jié)果并不能代表實(shí)際工作時(shí)的磁場構(gòu)型。對(duì)于磁屏蔽霍爾推力器,在常溫下仿真得到的磁場位形平行于壁面,而實(shí)際工作時(shí),該位形因溫度上升會(huì)發(fā)生偏移,磁力線不平行于壁面,達(dá)不到磁屏蔽效果。因此,更需要開展實(shí)際工作情況下的熱態(tài)磁路仿真設(shè)計(jì)。
本文通過熱磁耦合仿真方法實(shí)現(xiàn)對(duì)10 kW霍爾推力器熱態(tài)磁屏蔽設(shè)計(jì)。先對(duì)推力器開展熱仿真分析,確定熱分布區(qū)域,再利用不同熱分布區(qū)導(dǎo)入對(duì)應(yīng)溫度的B-H曲線,獲得熱態(tài)下10 kW霍爾推力器的磁場分布,并對(duì)熱態(tài)、常溫仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,最終通過調(diào)整出口型面結(jié)構(gòu)參數(shù),實(shí)現(xiàn)熱態(tài)下磁屏蔽設(shè)計(jì)。
上??臻g推進(jìn)研究所針對(duì)大型航天任務(wù)對(duì)更大功率電推進(jìn)技術(shù)的需求,開展了10 kW霍爾電推進(jìn)技術(shù)研究,設(shè)計(jì)了10 kW量級(jí)霍爾推力器(如圖1所示),采用磁屏蔽技術(shù)以實(shí)現(xiàn)更長壽命。
圖1 10 kW磁屏蔽霍爾推力器Fig.1 10 kW magnetically shielded Hall thruster
10 kW推力器放電室出口結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中:βi(β1,β2,β3)分別為內(nèi)壁前端面、后端面和外壁面與垂直方向夾角。表1給出了放電室出口壁面法向角βi參數(shù)。
圖2 放電室出口壁面法向角示意Fig.2 Schematic diagram of normal angles discharge chamber exit wall
表1 放電室出口壁面法向角
通常在磁路設(shè)計(jì)時(shí),按照常溫進(jìn)行磁場仿真。利用軟磁材料常溫25℃的B-H曲線,加載到磁路系統(tǒng),得到10 kW霍爾推力器常溫二維磁場分布(如圖3所示)。由圖3可見,在常溫條件下10 kW霍爾推力器達(dá)到磁屏蔽效果。
圖3 10 kW霍爾推力器常溫二維磁場分布Fig.3 10 kW Hall thruster 2-dimensional magnetic distribution in room temperature condition
2.1.1 熱仿真模型
對(duì)10 kW霍爾推力器進(jìn)行了合理熱設(shè)計(jì),底板上采用散熱盤來增加輻射散熱面積。采用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行熱仿真,獲得推力器達(dá)到熱平衡,即溫度場分布穩(wěn)定后的結(jié)果。陰極安裝在加速器外部,熱功率41 W[8],只占推力器總輻射功率的3.5%,對(duì)加速器的熱影響主要以熱輻射形式,因此熱仿真時(shí),未考慮陰極熱功率。推力器網(wǎng)格自動(dòng)劃分,實(shí)際大小和類型由程序控制,如圖4所示。
圖4 10 kW霍爾推力器網(wǎng)格Fig.4 10 kW Hall thruster mesh
2.1.2 熱模型
霍爾推力器穩(wěn)定工作時(shí),主要考慮放電功率損耗,霍爾推力器的放電功率損耗表示為:
Pd=Pb+Pw+Pa+Prad+Pion+Pcoil+Poth
(1)
式中:Pd為放電功率損耗;Pb為束流功率損耗;Pw為壁面功率損耗;Pa為陽極功率損耗;Prad為輻射功率損耗;Pion為氣體電離功率損耗;Pcoil為線圈功率損耗;Poth為其他損耗,如退激光能損耗等。
(1)束流功率損耗
推力器噴出束流產(chǎn)生功率損耗,束流主要是離子成份。束流功率損耗為:
Pb=0.95IbVd
(2)
式中:Ib為束電流,一般為0.6~0.8倍的放電電流Id[9],取0.735;Vd為放電電壓。
10 kW霍爾推力器以放電電流20 A、放電電壓500 V計(jì)算,則束流功率損耗為Pb=6 982.5 W。
(2)壁面功率損耗
推力器壁面的功率損耗主要為電子、離子對(duì)壁面的轟擊,壁面功率損耗為:
Pw=Pew+Piw=IewΔVew+IiwΔViw
(3)
式中:Iew為壁面電子電流;ΔVew為入射電子的電壓降;Iiw為壁面離子入射電流;ΔViw為入射離子的電壓降。
假設(shè)電子服從麥克斯韋分布,則壁面入射電子電流為:
(4)
式中:ne為電子密度;k為玻爾茲曼常數(shù);A為壁面積;m為電子質(zhì)量;Te為電子溫度;φs為鞘層電勢。
入射電子平均能量損耗eΔVew為平均電子溫度的2倍[9]。壁面入射離子電流Iiw與離子速度vi、放電室壁面面積A、離子密度ni相關(guān),表示為:
(5)
入射離子平均能量損耗eΔViw為ε-φs,ε為放電室內(nèi)離子平均能量,由玻姆條件得:ε=0.58Tev[9]。
10 kW霍爾推力器的壁面材料為金屬[10],由于采用磁屏蔽,金屬放電室的平均電子溫度較低,只有5 eV。按照Hobbs Wesson分布,該電子溫度對(duì)應(yīng)的鞘層電勢約為-30 V[9]。按式(5),取壁面附近ni=2×1018m-3,壁面面積A為0.027 3m2,則壁面入射離子電流Iiw約為16.7 A。
Pw=Pew+Piw=IewΔVew+IiwΔViw=
(ε-φs)]
(6)
由式(6)得到壁面功率損耗為630 W。
(3)陽極功率損耗
陽極熱功率為陽極接收到的電子電流和平均電子能量的乘積。電子能量不僅與等離子體電子參數(shù)有關(guān),還與陽極壁面鞘層參數(shù)有關(guān)[11-12]。陽極表面功率損耗滿足下式:
Pa=Id(Te+φs)=15Id
(7)
式中:Id為放電電流,為20 A;Te為陽極附近電子溫度,為5 eV;φs為陽極鞘層電勢,為10 V。
由式(7)得到陽極功率損耗為300 W。
(4)電離功率損耗
放電室內(nèi)等離子體形成時(shí),氣體電離產(chǎn)生的功率損耗滿足:
Pion=(Ib+Iiw)U+=13.75Ib
(8)
式中:U+為離子平均電離電壓,忽略二價(jià)離子,近似取12.5 V。
由式(8)得到電離功率損耗為202 W。
(5)輻射功率損耗
放電室內(nèi)等離子體的輻射功率損耗滿足:
Prad=n0ne〈σ*Ve〉Vε*
(9)
式中:n0為原子密度;ne為電子密度;〈σ*Ve〉為電離效率;ε*為原子平均激發(fā)損失能量;V為等離子體體積。
放電室內(nèi)相關(guān)參數(shù)為:n0=3×1020m-3,ne=6×1017m-3,電離效率〈σ*Ve〉為1.3×10-14m3/s,ε*為8.2 ev,V為(Ac*h) m3,Ac為腔道面積0.012 25m3,h為腔道長度0.03 m。則輻射功率損耗為:
Prad=9.2×104Ac
(10)
由式(10)得到輻射功率損耗為1 127 W。
(6)線圈功率
由于電磁線圈工作在高溫下,電阻隨溫度上升的關(guān)系由下式表示:
Rin=Rin0[1+a(T-T0)]
(11)
式中:Rin0為常溫下電阻,1.43 Ω;T0為室溫(20℃);T為實(shí)際工作溫度,設(shè)為400℃;a為電阻的溫度系數(shù),銅為0.003 86/℃,則可得到工作時(shí)線圈電阻Rin為3.5 Ω,內(nèi)磁電流Iin取3.6 A,則內(nèi)磁功耗為:
(12)
計(jì)算得到內(nèi)磁功耗為45 W。同樣,外磁功耗為40 W,因此,線圈總功率為85 W。
(7)總功率損耗
表2為10 kW霍爾推力器功率損耗。
表2 10 kW霍爾推力器功率損耗
2.1.3 熱仿真結(jié)果
由熱仿真結(jié)果可見,推力器內(nèi)部越處于或接近工作區(qū)的部件(如放電室、陽極),溫度越高。最高溫度:陽極714℃,放電室668℃,陶瓷出口658℃,磁屏500℃,內(nèi)磁頂470℃,內(nèi)磁425℃,磁線圈428℃,外磁導(dǎo)390℃。
陽極溫度在各部件中最高(714℃)。磁路系統(tǒng)各部件中最高溫度出現(xiàn)在內(nèi)磁屏(約500℃),都低于材料的居里溫度。
圖5給出了10 kW霍爾推力器的熱分布。表3給出了推力器主要零部件溫度范圍。
圖5 10 kW霍爾推力器的熱分布Fig.5 10 kW Hall thruster thermal distribution
表3 推力器的主要零部件溫度范圍
2.2.1 熱磁耦合仿真
根據(jù)2.1節(jié)熱仿真確定的推力器主要結(jié)構(gòu)的熱分布,利用Maxwell軟件進(jìn)一步開展推力器的磁仿真。取推力器的一半,將磁路結(jié)構(gòu)按照溫度分布,以分辨率50℃為區(qū)間劃分成更小的區(qū)域,每個(gè)區(qū)域按該溫度區(qū)間的B-H曲線進(jìn)行仿真。
圖6為軟磁材料隨溫度變化的B-H曲線。隨著溫度升高,磁性能開始非線性衰減,溫度增加較低時(shí),衰減較緩慢,當(dāng)溫度越高,衰減越來越大。一般,急變拐點(diǎn)在0.78Tc左右(Tc為居里溫度),超過此溫度鐵磁性基本驟降[12]。對(duì)于電磁純鐵,Tc為770℃,拐點(diǎn)應(yīng)為600℃左右,超過此溫度磁性能驟降。對(duì)10 kW霍爾推力器熱仿真結(jié)果表明,磁路系統(tǒng)部件最高溫度在500℃左右,磁路部件溫度均低于拐點(diǎn)溫度,因此,處于磁性材料的合理工作點(diǎn)范圍,不會(huì)出現(xiàn)磁性能急劇下降,影響推力器正常工作。
圖6 軟磁材料隨溫度變化的B-H曲線Fig.6 Temperature dependence of B-H curve for ferromagnetic material
圖7給出了飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs隨溫度變化曲線。由圖可見,溫度逐漸升高,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度開始緩慢下降;而溫度600℃開始,磁飽和感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)驟降;達(dá)到居里溫度時(shí),磁飽和感應(yīng)強(qiáng)度降到0。
2.2.2 熱磁耦合仿真結(jié)果
圖8為10 kW霍爾推力器熱態(tài)二維磁力線分布。對(duì)同等工況條件下,熱態(tài)磁力線與常溫下仿真得到的磁力線(如圖3所示)進(jìn)行對(duì)比,隨著溫度提高,其導(dǎo)磁性能呈現(xiàn)衰減趨勢,磁場位形隨之發(fā)生變化,磁力線開始向內(nèi)移動(dòng),和內(nèi)壁面交叉,未達(dá)到磁屏蔽效果。
圖7 飽和磁化強(qiáng)度Ms和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs隨溫度變化曲線Fig.7 Temperature dependence of saturated magnetization Ms and saturated magnetic induction Bs
圖8 10 kW霍爾推力器熱態(tài)二維磁場分布Fig.8 10 kW Hall thruster 2-dimensional magnetic distribution in thermal state
對(duì)放電室出口型面進(jìn)行重新設(shè)計(jì):內(nèi)壁前端面的法向角β1從46°減小到40°,內(nèi)壁后端面的法向角β2從22°減小到21°,外壁面法向角不變。之后再次進(jìn)行熱態(tài)磁場仿真。
圖9為放電室出口型面修正后的10 kW霍爾推力器熱態(tài)二維磁力線分布。由圖可以看出,磁力線沿放電室中線對(duì)稱。磁力線在內(nèi)外磁極間貫通,一方面從腔道外部,以較平緩角度連接;另一方面,磁力線向內(nèi)伸進(jìn)放電室,以較大角度連接,磁力線平行于內(nèi)外陶瓷出口壁型面,起到很好的磁屏蔽效果。
圖9 10 kW霍爾推力器型面修正后熱態(tài)二維磁力線分布Fig.9 2-dimensional magnetic distribution in thermal state after discharge chamber wall shape re-correction of 10 kW Hall thruster
磁屏蔽是磁力線下部邊緣掠過壁面,平行于內(nèi)外出口陶瓷壁面,不和壁面交叉,并且延伸到陽極附近。磁力線在放電室內(nèi)的這種分布不會(huì)產(chǎn)生沿著磁力線方向的感應(yīng)電場E∥,只產(chǎn)生垂直于磁力線的感應(yīng)電場E,離子在該E電場作用下向外加速噴出,不會(huì)濺射轟擊到壁上,顯著降低了高能離子對(duì)陶瓷壁的濺射轟擊,大大延長了推力器壽命。磁場的這種分布使陽極至推力器出口的整個(gè)壁面上電子能量顯著降低,并維持接近陽極的很低的電子能量,顯著降低電子對(duì)壁面的熱載,緩解對(duì)推力器的熱負(fù)載。另一方面,從陽極至推力器出口區(qū)域的整個(gè)壁面上等離子體電勢保持接近陽極的高電勢,并使加速區(qū)外移,進(jìn)一步降低離子對(duì)陶瓷壁的轟擊,延長推力器壽命[13-15]。
圖10為10 kW霍爾推力器整個(gè)空間和放電室內(nèi)的磁場云圖。由圖可見,磁感應(yīng)強(qiáng)度較高的區(qū)域集中在內(nèi)磁極外緣、內(nèi)磁極根部和外磁屏外緣附近的外部空間,這些區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng),其余區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度較小。放電室內(nèi)靠近陽極區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度較弱,沿著放電通道磁感應(yīng)強(qiáng)度開始增大,磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值在陶瓷環(huán)出口外部,再向外部空間磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減弱。
圖10 10 kW霍爾推力器外場和放電室二維磁場云圖Fig.10 10 kW Hall thruster magnetic distribution outside and inside discharge chamber
圖11為沿放電室中線、內(nèi)壁、外壁的徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度沿推力器軸線方向的Br變化圖。其中在放電室中線上,徑向磁場梯度Br由陽極向放電室出口單調(diào)上升,到達(dá)最高點(diǎn)開始下降;而在內(nèi)、外壁上,徑向磁場梯度Br在近陽極、電離區(qū),略微下降呈現(xiàn)負(fù)值,隨后跨過零點(diǎn),轉(zhuǎn)變?yōu)檎怠7烹娛抑芯€上的曲線滿足霍爾推力器穩(wěn)定工作的條件:Br>0,具備了較好聚焦質(zhì)量,最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Brmax在放電室出口外約10 mm左右,在距陽極51 mm位置,其值為200 Gs左右,滿足200 Gs的設(shè)計(jì)要求。陽極處的磁感應(yīng)強(qiáng)度最小,約10 Gs,約為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度的0.05。內(nèi)壁最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為330 Gs,在腔道外(在出口外4 mm處),外壁最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為210 Gs,也位于腔道外部(在出口外1 mm)。在近陽極區(qū)到電離區(qū)這一段,內(nèi)外壁上磁感應(yīng)強(qiáng)度下降到負(fù)值,使磁力線更彎曲,使磁透鏡更凸。
圖11 放電室中線、內(nèi)壁、外壁上Br在放電室軸向的變化圖Fig.11 Axial variation of magnetic radial component Br along centerline, inner and outer wall
圖12為沿放電室中線、內(nèi)壁、外壁的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度沿推力器軸線方向Bz的變化。放電室中線上的曲線沿軸向平緩,磁感應(yīng)強(qiáng)度在零值附近,出腔道后開始緩慢下降,呈現(xiàn)負(fù)值。內(nèi)壁磁感應(yīng)強(qiáng)度在放電室內(nèi)從0向負(fù)值降,在距陽極40 mm處(離出口還有約5 mm),達(dá)到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度,其值為150 Gs,之后再上升,在距陽極51 mm處轉(zhuǎn)變?yōu)檎?。外壁磁感?yīng)強(qiáng)度在放電室內(nèi)從0開始上升,同樣在距陽極40 mm處(離出口還有約5 mm),達(dá)到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度約190 Gs,之后再下降,在距陽極50 mm處進(jìn)入負(fù)值范圍。從圖12可見,磁場對(duì)稱性良好。
圖12 放電室中線、內(nèi)壁、外壁上Bz在放電室軸向的變化Fig.12 Axial variations of magnetic axial component Bz along centerline, inner and outer wall
對(duì)熱態(tài)和常溫兩種不同條件下放電室中心線上徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布進(jìn)行了對(duì)比研究。熱態(tài)和常溫放電室中心線上徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度的相對(duì)偏差δ表示為:
(13)
由圖13和表4可見,陽極附近的熱態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度(11.1 Gs)比常溫(6.29 Gs)大,越靠近放電室出口,兩者差異減小。常溫下最大徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的位置比熱態(tài)時(shí)向出口外偏移3 mm左右,而其具體值相差不大(熱態(tài):197.9 Gs,常溫:199.9 Gs)。在陽極附近熱態(tài)和常溫仿真結(jié)果差異較大,相對(duì)偏差δ達(dá)到了76.5%,而到出口附近兩者幾乎接近,偏差降到0.06%。
圖13 熱態(tài)和常溫仿真條件下的放電室中心線上徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)值Br/Brmax及其兩者相對(duì)偏差對(duì)比Fig.13 Comparison of magnetic radial component ratio Br /Brmax evolution and relative deviation at thermal and room temperature conditions
表4 熱態(tài)和常溫條件下不同軸向位置所對(duì)應(yīng)的徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度Br及相對(duì)偏差值δ
由熱磁仿真結(jié)果,開展推力器出口型面修正前、后的熱態(tài)磁場與壁面不符合度分析。
圖14、圖15分別為型面修正前、后推力器熱態(tài)磁場仿真流線圖。由圖可見,修正前,磁力線未平行放電室出口陶瓷內(nèi)、外壁面,而且伸入陶瓷內(nèi)部;而修正后,磁力線貼合陶瓷型面,達(dá)到磁屏蔽。
圖14 修正前推力器熱態(tài)磁場仿真流線圖Fig.14 Magnetic streamline in thermal state before wall shape re-correction
圖15 修正后推力器熱態(tài)磁場仿真流線圖Fig.15 Magnetic streamline in thermal state after wall shape re-correction
采用壁面中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁力線的切線法向角和陶瓷壁面角度偏差來表征磁力線和壁面不符合度ζi。
(14)
式中:αi分別為內(nèi)壁前端面、后端面和外壁面中點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的磁力線切線法向角(i=1,2,3),如表5所示。
表5 修正前后的熱態(tài)仿真磁力線切線法向角
表6為出口型面修正前后的推力器放電室出口壁面的法向角。表7為推力器修正前后的磁場壁面不符合度對(duì)比,由表可見,型面修正后熱態(tài)仿真的磁力線和型面的不符合度(ζ1=0;ζ2=4.8%;ζ3=3.3%)遠(yuǎn)小于修正前仿真結(jié)果(ζ1=13%;ζ2=9%;ζ3=6.45%),表明修正后推力器達(dá)到磁屏蔽效果。
表6 修正前后推力器放電室出口壁面法向角
表7 修正前后推力器熱態(tài)磁場和壁面不符合度
因此,對(duì)于需要精確控制磁場位形的磁屏蔽設(shè)計(jì),需要考慮熱影響,并對(duì)型面進(jìn)行修正和優(yōu)化。
對(duì)于采用磁屏蔽技術(shù)的大功率霍爾推力器,磁力線位形設(shè)計(jì)變得更為重要??紤]大功率霍爾推力器工作時(shí),熱量對(duì)推力器的影響變得更為嚴(yán)峻,磁路系統(tǒng)受熱對(duì)磁場位形產(chǎn)生影響,使按常溫設(shè)計(jì)的磁場分布發(fā)生變化,達(dá)不到磁屏蔽效果。本文介紹了10 kW霍爾推力器熱磁仿真設(shè)計(jì),得到了更接近于真實(shí)工作條件的熱態(tài)磁場構(gòu)型。主要結(jié)論如下:
1)在加載、邊界和結(jié)構(gòu)等參數(shù)不變的前提下,10kW霍爾推力器在常溫條件下仿真得到的磁屏蔽設(shè)計(jì),在熱態(tài)下仿真發(fā)現(xiàn)偏離磁屏蔽,磁場和壁面的不符合度達(dá)到ζ1=13%,ζ2=9%,ζ3=6.45%;
2)通過對(duì)型面結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修正,再次對(duì)10kW霍爾推力器進(jìn)行熱態(tài)下仿真,磁力線和壁面的不符合度降低到ζ1=0,ζ2=4.8%,ζ3=3.3%,從而達(dá)到磁屏蔽效果;
3)由熱態(tài)、常溫仿真對(duì)比,熱影響是磁屏蔽仿真中應(yīng)該考慮的因素;
4)磁路系統(tǒng)最高溫度不超過500℃,低于0.78倍的居里溫度(約600℃)磁性急劇轉(zhuǎn)變點(diǎn),不會(huì)使推力器磁性能急劇驟降;
5)磁屏蔽推力器的放電區(qū)、加速區(qū)外移,最大徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度位于放電室出口外10 mm處;
6)下一步將對(duì)10 kW霍爾推力器開展壽命試驗(yàn),從試驗(yàn)角度驗(yàn)證磁屏蔽的有效性。