LHT40低功率霍爾推力器放電特性試驗(yàn)

陳新偉，顧左，高俊，郭寧，王尚民，趙勇，馮杰，史楷，蒲彥旭，李賀

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

1 引言

近年來，微小衛(wèi)星[1]因其應(yīng)用廣泛、經(jīng)濟(jì)高效受到衛(wèi)星制造商們的廣泛關(guān)注，在未來具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＮ⑿⌒l(wèi)星高精度的軌道機(jī)動(dòng)需求，進(jìn)一步促進(jìn)新一代高性能、高可靠性微小推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用。

在多款電推進(jìn)系統(tǒng)中，霍爾推力器具有結(jié)構(gòu)簡單、推力小、壽命長、集成度高、比沖適中、推功比高[2-4]等諸多優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了廣泛的空間應(yīng)用，主要執(zhí)行姿態(tài)控制、軌道提升、深空探測等多種軌道任務(wù)。截止目前為止，1～5 kW的功率[5-6]范圍內(nèi)的霍爾推力器已有多款推力器實(shí)現(xiàn)在軌型號(hào)應(yīng)用。

近幾年，隨著地軌互聯(lián)網(wǎng)星座的蓬勃發(fā)展，以O(shè)neWeb、SpaceX“星鏈”(Starlink)為代表的商業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)低功率霍爾推力器的應(yīng)用十分火熱。英國通信公司OneWeb(一網(wǎng)公司)截至2020年3月，其發(fā)射衛(wèi)星數(shù)達(dá)74顆，均采用了SPT-50M系列的霍爾推力器作為地軌衛(wèi)星主推進(jìn)系統(tǒng)。2019年以來SpaceX公司發(fā)射的875顆“星鏈”衛(wèi)星均采用200 W的低功率霍爾推力器。

在低軌衛(wèi)星星座、微納衛(wèi)星高速發(fā)展的迫切需求下，功率量級(jí)為0.5～500 W的低功率霍爾推力器受到各航天大國的關(guān)注。俄羅斯、美國等為代表的國家在低功率霍爾推力器領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了突破，研制了多款低功率霍爾推力器，并開展了大量推力器性能優(yōu)化、提升的試驗(yàn)研究工作，例如美國Busek公司研制200 W BHT-200[7-8](推力12.8 mN，比沖1 390 s，效率24.5%)，600 W BHT-600[9](推力39 mN，比沖1 530 s，效率49%)，俄羅斯火炬局研制的220W SPT-50[10](推力14.0 mN，比沖860 s，效率26%)，SPT-70[11](推力40.0 mN，比沖1 500 s，效率46%)等多種型號(hào)的低功率霍爾推力器產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)了空間在軌應(yīng)用。此外，國際諸多知名機(jī)構(gòu)紛紛開展低功率電推進(jìn)系統(tǒng)的研制和性能測試，例如美國加利福尼亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成功研制了400 W級(jí)MaSMi-40[12-13]小功率霍爾推力器，以色列Advanced Defense Systems公司研制了100～250 W的CAMILA霍爾推力器，法國國家科學(xué)研究中心研制了200 W ISCT200-MS[14-15]磁屏蔽霍爾推力器，波蘭等離子體物理和激光微融合研究所(IPPLM)研制了500 W 霍爾推力器[16]。但是國外均采用獨(dú)立勵(lì)磁供電方式(推力器所需的磁場全部由外部電源對(duì)勵(lì)磁線圈供電產(chǎn)生)對(duì)推力器的放電特性(推力、比沖)開展研究，未對(duì)混合勵(lì)磁模式推力放電特性開展研究，也未對(duì)其宏觀特性(推力、比沖等)和微觀等離子參數(shù)開展詳細(xì)的研究。

本文主要介紹300 W混合勵(lì)磁模式低功率霍爾推力器，并針對(duì)不同工況開展推力器放電特性宏觀性能參數(shù)(推力、比沖、效率等)和羽流等離子微觀參數(shù)研究，建立推力器宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)的聯(lián)系，進(jìn)一步確定推力器指標(biāo)符合性和放電穩(wěn)定性，為工程應(yīng)用提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

2 LHT40霍爾推力器

霍爾推力器通過內(nèi)外電磁線圈在放電室內(nèi)形成徑向分布的磁場，與此同時(shí)，陽極和陰極之間的電勢(shì)降產(chǎn)生軸向電場。陰極是霍爾推力器的電子發(fā)射源，其發(fā)射的電子一部分進(jìn)入放電室，在正交的徑向磁場與軸向電場的共同作用下發(fā)生霍爾漂移，在漂移過程中與從陽極(工質(zhì)氣體分配器)出來的中性推進(jìn)劑原子(通常采用氙)碰撞，使得氙原子電離。由于存在強(qiáng)的徑向磁場，電子被限定在放電通道內(nèi)沿周向做漂移運(yùn)動(dòng)，也稱霍爾漂移。而離子質(zhì)量很大，其運(yùn)動(dòng)軌跡基本不受磁場影響，在軸向電場作用下沿軸向高速噴出從而產(chǎn)生推力。與此同時(shí)，陰極發(fā)射的另一部分電子與軸向噴出的離子中和，保持了推力器羽流的宏觀電中性。

針對(duì)商業(yè)衛(wèi)星星座、低軌道導(dǎo)航通信衛(wèi)星等軌道提升、位置保持和離軌的任務(wù)需求，蘭州空間技術(shù)物理研究所開展了專項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，研制了300 W級(jí)低功率霍爾推力器LHT40。LHT40主要由放電室組件、空心陰極組件、磁路組件和安裝組件等組成。LHT40霍爾推力器放電室采用氮化硼-二氧化硅材料組成的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，放電口徑外徑為40 mm，其周圍均勻排布著4個(gè)勵(lì)磁線圈，在放電室的一側(cè)布置空心陰極，陰極軸線與推力器軸線成45°。

空心陰極采用發(fā)射電流為3 A的空心熱陰極LHC-3[17]，該陰極大幅度繼承LHC-5陰極(發(fā)射電流為5 A)的研制經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)在實(shí)踐9A衛(wèi)星電推力器得到飛行驗(yàn)證，經(jīng)過地面20 000 h壽命試驗(yàn)和21 000次開關(guān)機(jī)試驗(yàn)。

霍爾推力器磁路組件包括內(nèi)線圈、外線圈、內(nèi)極靴、外極靴和導(dǎo)磁底座等，磁路結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 霍爾推力器磁路結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Hall thruster magnetic circuit structure composition

霍爾推力器磁路原理如圖2所示。霍爾推力器具有較為復(fù)雜的磁路結(jié)構(gòu)，其磁路基本構(gòu)型為C型磁路結(jié)構(gòu)。將軟磁材料設(shè)計(jì)成C型結(jié)構(gòu)，并纏繞上線圈，當(dāng)線圈通電流時(shí)，在兩個(gè)磁極之間就會(huì)形成磁場。在霍爾推力器放電室中，磁場的方向基本為徑向。當(dāng)磁路的幾何尺寸確定后，磁場的構(gòu)型可以通過調(diào)節(jié)線圈的電流和匝數(shù)來實(shí)現(xiàn)。典型的加速通道徑向磁場分布特征為，沿著通道軸線方向從底部至出口磁場逐漸變大，并在通道出口處達(dá)到最大值。

圖2 霍爾推力器磁路原理Fig.2 Hall thruster magnetic circuit schematic

在LHT40推力器設(shè)計(jì)過程中引入目前國外常用的霍爾推力器延壽設(shè)計(jì)技術(shù)——磁屏蔽技術(shù)[18]。通過推力器磁路組件設(shè)計(jì)，在推力器放電通道內(nèi)形成一個(gè)“U”型的磁場，磁場越過放電通道陶瓷邊緣且逐漸延伸到陽極附近，磁力線與放電通道不存在相交點(diǎn)。壁面處磁力線向陽極延伸，且保持等勢(shì)特點(diǎn)，于是呈現(xiàn)恒定不變的高電勢(shì)和低電子溫度的特點(diǎn)。根據(jù)廣義歐姆定律：

σE=J+J×β

式中：E、J和β分別為電場強(qiáng)度、電流密度和霍爾參數(shù)，σ為電導(dǎo)率。電流密度在垂直于磁力線方向(j⊥)為：

在平行于磁力線方向上：

E‖=j‖/σ

(1)

由式(1)可知E⊥(垂直磁力線的電場強(qiáng)度)比E‖(平行于磁力線的電場強(qiáng)度)大得多。電場的形成與電子的運(yùn)動(dòng)有密切關(guān)系，根據(jù)磁力線絕熱的特性，電子在平行于磁力線方向上的阻抗遠(yuǎn)小于垂直于磁力線方向上的阻抗。

從通道中心到壁面沿磁力線進(jìn)行積分可以得到平行于磁力線的等離子體電勢(shì)：

φ‖=φ0+Te0ln (ne0/ne)

式中：ne為電子數(shù)密度；φ0、Te0和ne0分別為放電室通道中心的電勢(shì)、電子溫度和電子數(shù)密度。

壁面附近的磁力線向陽極延伸，由于磁力線絕熱的特性，壁面附近的電子溫度約等于陽極附近較低的電子溫度，此時(shí)有φ‖≈φ0。由于造成離子 向陶瓷壁面的加速能量減小，使得放電通道壁面濺射得到有效抑制，從而推力器實(shí)現(xiàn)長壽命目的。

LHT40霍爾推力器通道內(nèi)的磁場位型如圖3所示。由圖3可見，磁場分布在符合霍爾推力器磁場設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，磁力線在出口處形成U型，磁場與通道陶瓷僅僅存在局部相切，整體磁場位型與國外設(shè)計(jì)結(jié)果具有高度一致性[16]。推力器通道軸向磁場強(qiáng)度見圖4，從中可以看出推力器放電通道內(nèi)磁場軸向強(qiáng)度最大位于推力器出口位置，大約142 Gs(1 Gs=10-4T)，推力陽極位置約1.5 Gs。

圖3 LHT40仿真磁場位型Fig.3 LHT40 magnetic field simulation

圖4 放電通道的感應(yīng)強(qiáng)度沿軸向分布曲線Fig.4 Discharge channel magnetic induction distribution curve along the axial

LHT40霍爾推力器的內(nèi)外磁場勵(lì)磁線圈繞組，用于產(chǎn)生霍爾推力器工作所必需的徑向磁場。經(jīng)過推力器可靠性熱測試摸底試驗(yàn)，得出勵(lì)磁線圈溫度不超過500℃?；魻柾屏ζ鲀?nèi)、外電磁線圈進(jìn)行串聯(lián)方式，可以減少一個(gè)勵(lì)磁電源。勵(lì)磁電源的負(fù)極串入放電回路的負(fù)極(陽極電源負(fù)極)，此種接線方式進(jìn)一步考慮勵(lì)磁線圈絕緣的可靠性設(shè)計(jì)。若勵(lì)磁電源與陽極回路正極相連，勵(lì)磁線圈耐壓、絕緣要求將進(jìn)一步提高。若線圈材料選擇不合適、推力器設(shè)計(jì)沒有達(dá)到最優(yōu)工況，推力器長期工作將導(dǎo)致工作不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致推力器熄弧。由于放電回路電流不足以提供最優(yōu)的磁場位形，需要一個(gè)勵(lì)磁電源進(jìn)一步為勵(lì)磁線圈供電，LHT40霍爾推力器配電網(wǎng)絡(luò)見圖5。

圖5 LHT40霍爾推力器配電網(wǎng)絡(luò)Fig.5 LHT40 Hall thruster electrical network

3 試驗(yàn)系統(tǒng)及裝置

3.1 真空設(shè)備和推力測量設(shè)備

LHT40霍爾推力器試驗(yàn)在蘭州空間技術(shù)物理研究所電推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室TS-6S電推進(jìn)真空試驗(yàn)系統(tǒng)上開展。TS-6S系統(tǒng)Φ1 500 mm×5 000 mm，空載極限真空度優(yōu)于10×10-5Pa，當(dāng)推力器引束流過程氙氣流量為1.0 mg/s時(shí)，系統(tǒng)的帶載真空度可保持在(1.0～1.3)×10-3Pa。

LHT40霍爾推力器安裝在推力器安裝平臺(tái)上，通過彈性件懸垂于真空室內(nèi)。彈性件在兩種情況下發(fā)生彈性形變(即推力器安裝平臺(tái)端發(fā)生位移)：一是當(dāng)推力器沒有工作時(shí)通過尼龍細(xì)線由不同質(zhì)量的校準(zhǔn)砝碼產(chǎn)生的拉力；二是電推力器工作時(shí)產(chǎn)生推力。由于發(fā)生的位移很小，可以近似考慮為線位移。試驗(yàn)前通過已知質(zhì)量的法碼開展標(biāo)定工作。由于校準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量已知，即產(chǎn)生的拉力大小已知，位移由激光干涉儀測量得到，通過不同質(zhì)量的校準(zhǔn)砝碼，可以得到“力-位移”曲線：

F=kx+b

(2)

式中：F為推力；x為位移；k為彈性系數(shù)；b為誤差系數(shù)。

已知兩種情況下的位移大小，用式(2)由激光干涉儀經(jīng)由靶標(biāo)反射鏡和90°折射鏡測量得到推力，微小推力直接測量法的系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 LHT40霍爾推力器推力測量裝置Fig.6 Thrust measurement device for LHT40 Hall thruster

3.2 等離子體診斷設(shè)備

推力器羽流發(fā)散角測量采用81個(gè)法拉第探針陣列組成的測試裝置。LHT40霍爾推力器安裝在安裝支架上，法拉第探針陣列安裝在圓盤型金屬支架上，其中推力器噴口軸線與法拉第探針陣列探測面中軸線重合，推力器與羽流診斷裝置相對(duì)位置見圖7。通過線性插值法計(jì)算出90%總束流值對(duì)應(yīng)推力器中軸線的距離，記為r90%，束流發(fā)散角θ計(jì)算如下：

圖7 推力器與羽流診斷裝置相對(duì)位置示意Fig.7 Schematic diagram of the relative position of the thruster and the plume diagnostic device

(3)

式中：d為霍爾推力器噴口直徑；L為霍爾推力器噴口與法拉第探針陣列探測面的軸向距離。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 性能

(4)

式中：γ為由束流發(fā)散和多荷離子引起的推力修正系數(shù)；M為氙離子質(zhì)量；e為元電荷；Ib為束電流；Ub為束電壓?；魻柾屏ζ鞯耐屏π拚禂?shù)γ為：

式中：α為束流修正系數(shù)；I++/I+為束流中雙荷離子電流所占比例。

霍爾推力器陽極效率ηa定義為：

式中：Pd為陽極功率。

比沖Isp的計(jì)算公式為：

推功比(F/Ptotal)是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，其定義為推力與系統(tǒng)功率的比值：

式中：Ptotal為系統(tǒng)總功率；Pmag為勵(lì)磁功率；Pc為陰極自持放電功率。

不同電壓下推力和陽極電流變化曲線見圖8。由圖8可以看出，隨放電電壓由200 V增至280 V，推力隨之增大，由8.8 mN增大到12.8 mN，推力增大約45%，此放電電壓段推力與放電電壓呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，該關(guān)系與式(4)(T～V1/2)一致。隨放電電壓繼續(xù)增大(280 V→300 V)，推力由280 V時(shí)的12.8 mN下降到12.5 mN，推力在200～300 V存在一個(gè)最大值。由式(4)中推力修正系數(shù)可以看出，束流中雙荷離子電流增大推力器推力逐漸減小。分析可能主要原因?yàn)椋?80～300 V陽極電壓的推力器放電雙核離子增加的速度大于電壓對(duì)推力貢獻(xiàn)的程度。推力器工作過程陽極電流主要來自放電室內(nèi)電離產(chǎn)生的二次電子和陰極發(fā)射的原初電子。

圖8 不同電壓下推力和陽極電流變化曲線Fig.8 Variation curves of thrust and anode current under different voltages

由圖8可以看出陽極電壓在200 V→250 V增大過程中放電電流基本保持在0.78 A，陽極電壓繼續(xù)增大，放電電流逐漸增大。當(dāng)放電電壓增大到280 V，推力器放電電流達(dá)到最大為0.835 A。繼續(xù)增大陽極電壓，放電電流呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。主要原因分析為，放電電壓增大，通道內(nèi)電場作用增加，誘導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，對(duì)原初電子的約束增加，電子螺旋約束路徑增大，導(dǎo)致到達(dá)陽極的電子單位時(shí)間減小，最終導(dǎo)致放電電流較小。

圖9所示為不同陽極電壓下推力器比沖和陽極效率變化曲線。由圖9可以看出，隨放電電壓由200 V增至280 V，比沖隨之增大，由944 s增大到1377 s，此放電電壓段比沖與放電電壓呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。隨放電電壓繼續(xù)增大(280 V→300 V)，推力由280 V時(shí)的1 377 s下降到1 355 s，推力在200～300 V之間存在一個(gè)最大值。陽極效率隨放電電壓的變化趨勢(shì)與推力器推力、比沖的變化趨勢(shì)一致。

圖9 不同電壓下比沖和陽極效率變化曲線Fig.9 Variation curves of specific impulse and anode efficiency under different voltages

圖10 不同電壓下推功比變化曲線Fig.10 Variation of thrust to power ratio under different voltages

4.2 低頻振蕩特性

霍爾推力器在放電過程中會(huì)存在固有的低頻振蕩[19]現(xiàn)象，低頻振蕩的存在會(huì)使推力器的性能下降，可靠性降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致推力器熄弧，研究推力器低頻振蕩現(xiàn)象對(duì)推力器的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)[19]采用“捕食模型”和“吸效振蕩”對(duì)低頻振蕩的機(jī)理進(jìn)行描述，其根本原因都是中性原子周期性的消耗和補(bǔ)充，引起的電離不穩(wěn)定性。放電電壓、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場位形、工質(zhì)種類和流量、電源系統(tǒng)、陰極等放電參數(shù)都對(duì)霍爾推力器的低頻振蕩效應(yīng)有一定的影響，其中離子和原子守恒方程為：

(5)

(6)

式中：ni、no分別為離子和原子數(shù)密度；Vi、Vo分別為離子和原子速度；σi為電離截面；Ve為電子速度；L為軸向電離長度；t為時(shí)間。其中：

(7)

式中：ni,o，no,o分別為未電離狀態(tài)下離子和原子數(shù)密度；ε為介電常數(shù)。

式(7)與式(5)(6)聯(lián)立可以得到：

(8)

由式(8)可以推出放電電流振蕩頻率呈現(xiàn)無阻尼諧波振蕩伴隨振蕩頻率fi如下：

(9)

由式(9)可以看出推力器放電過程放電電流振蕩與電離區(qū)長度、放電通道內(nèi)離子和中性原子的速度有關(guān)，振蕩頻率的變化也反映了軸向電離長度的變化，與推力器內(nèi)部電離機(jī)制密切相關(guān)。

圖11所示為陽極流率1.0 mg/s、陰極流率0.1 mg/s ，勵(lì)磁電流2.4 A工況下陽極電流和陽極電壓隨時(shí)間變化曲線。放電電流平均值約1.0 A，電壓和電流均呈現(xiàn)隨時(shí)間振蕩特性，對(duì)放電電壓和電流波形進(jìn)行傅里葉變換，得到電壓和電流振幅隨頻率變化的曲線，如圖12所示。由圖12可以看出放電電壓和電流主振蕩頻率在4.05 kHz左右。

圖11 陽極電壓和陽極電流隨時(shí)間變化曲線Fig.11 Anode voltage and anode current curves as a function of time

圖12 電壓和電流頻率-振幅Fig.12 Frequency-amplitude diagrams of voltage and current

4.3 羽流特性

羽流等離子是霍爾推力器內(nèi)部工質(zhì)電離、加速的外在體現(xiàn)。探究束流等離子體分布特性，一方面有利于獲悉推力器離子能量損失機(jī)理、工質(zhì)利用率等特性，改善和提升推力器性能，另一方面獲悉推力器空間羽流分布，對(duì)推力器空間在軌應(yīng)用和羽流效應(yīng)防護(hù)提供寶貴的地面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，為推力器數(shù)值模型提供有效的邊界條件輸入。

LHT40霍爾推力器束流離子電流密度測量時(shí)，推力器出口平面距離束流發(fā)散角測量裝置探針陣列前端面的距離為700 mm。試驗(yàn)過程中分別測試了陽極流率0.65～0.95 mg/s(間隔0.1 mg/s)下的離子電流密度，分布云圖如圖13所示。推力器在各工況下工作真空度(氙氣負(fù)載)始終優(yōu)于2.0×10-3Pa。

從圖13可以看出，推力器隨陽極流率從0.65 mg/s增大到0.95 mg/s的過程中，推力器軸線處離子電流密度中心呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，其中推力器中心束流密度最大值從0.158 mA/cm2增到0.189 mA/cm2，最大離子電流密度增加19.6%。當(dāng)陽極質(zhì)量流量增大到0.95 mg/s，推力器中心軸線位置處電流小于相鄰探針的電流值，即電流密度測量結(jié)果呈現(xiàn)“雙峰”結(jié)構(gòu)。分析主要原因?yàn)椋弘S質(zhì)量流率增加，推力器內(nèi)部電離作用增強(qiáng)，推力器工作模式聚焦型增強(qiáng)，對(duì)等離子定向作用增強(qiáng)，束流聚焦性增強(qiáng)。從圖13還可以看出同一陽極質(zhì)量流率下，推力器軸線處(離子電流中心處)離子電流密度最大，偏離推力器軸線束流密度逐漸減小(沿徑向逐漸減小)，說明推力器束流等離子呈現(xiàn)雙極擴(kuò)散的性質(zhì)。

圖13 不同陽極流率下束流密度分布云圖Fig.13 The map of thruster beam density distribution under different anode mass flow rates

電離過程可以用原子和離子沿放電通道軸向的一維穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程表示：

(10)

式中：ne(z)為通道軸向電子數(shù)密度；βiz(z)為電離速率系數(shù)；z為推力器中軸線距離。

根據(jù)式(3)獲得LHT40霍爾推力器在陽極電壓為290 V、勵(lì)磁電流為2.4 A，陽極流量為0.65～0.95 mg/s條件下的束流發(fā)散角，試驗(yàn)結(jié)果見圖14。由圖14可以看出，隨陽極質(zhì)量流率增加，束流發(fā)散角呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)陽極流率0.65 mg/s時(shí)發(fā)散角為33.1°，當(dāng)質(zhì)量流率增大至0.95 mg/s時(shí)發(fā)散角為29.2°，減小3.9°(約11.7%)。分析主要的原因?yàn)椋河捎谕屏ζ鞑捎没旌蟿?lì)磁模式供電(配電網(wǎng)絡(luò)見圖5)，主放電回路與勵(lì)磁回路并聯(lián)。當(dāng)陽極質(zhì)量流率增大，推力器放電通道內(nèi)部工質(zhì)電離率增大，離子電流增大，導(dǎo)致放電電流增大，放電電流增大的部分串入勵(lì)磁回路，激發(fā)勵(lì)磁線圈誘導(dǎo)磁場強(qiáng)度增大，進(jìn)一步導(dǎo)致放電通道引起電磁場強(qiáng)度增大，對(duì)離子聚焦性增強(qiáng)，更多的離子匯聚推力器軸線，推力器偏離軸線離子損失減小，束流發(fā)散角減小。推力器的工質(zhì)利用率為：

圖14 不同陽極流率下束流發(fā)散角和質(zhì)量利用效率變化Fig.14 Variation of beam divergence angle and mass utilization efficiency under different anode flow rates

(11)

式中：m為原子質(zhì)量；Ii為離子電流。

工質(zhì)利用率是衡量電離效果的重要指標(biāo)，其中陽極質(zhì)量流率是工質(zhì)的來源。工質(zhì)利用效率代表從陽極注入中性氙原子經(jīng)放電通道電場和磁場電離加速噴出后轉(zhuǎn)化成離子的比率，對(duì)推力器推力形成具有重要的貢獻(xiàn)，其表達(dá)式見式(11)。從圖14可以看出，隨著陽極質(zhì)量流率增大，工質(zhì)利用率逐漸增大，最大達(dá)到0.89(陽極流率0.95 mg/s時(shí))。分析主要原因?yàn)椋S陽極質(zhì)量流率增大過程中，中性氙原子在放電通道中與原初電子碰撞導(dǎo)致電離率增大，引起放電電流增大。由于推力器采用混合勵(lì)磁供電模式，進(jìn)一步導(dǎo)致放電通道磁場強(qiáng)度增大，對(duì)原初電子做霍爾漂移約束增大，電子的停駐時(shí)間延長，最終導(dǎo)致電離率增大，質(zhì)量利用效率不斷提高。

5 結(jié)論

通過研究，可得到如下結(jié)論：

1)LHT40霍爾推力器在特定工況下可以滿足推力器12 mN、比沖1 200 s的指標(biāo)要求，滿足型號(hào)任務(wù)的需求。放電電壓從200 V增至280 V，推力隨放電電壓的增大而增大，由8.8 mN增大到12.8 mN，推力增大約45%。推力增大主要由于電場強(qiáng)度增加，對(duì)離子加速增強(qiáng)。陽極電壓繼續(xù)增大，推力由280 V時(shí)的12.8 mN下降到12.5 mN，推力在200～300 V存在一個(gè)最大值。

2)推力器放電電流、放電電壓呈現(xiàn)無阻尼諧波振蕩特性，其一階頻率基本一致，大約4.05 kHz。

3)陽極流率從0.65 mg/s增大到0.95 mg/s過程中，推力器中心軸線束流密度最大值逐漸增大，當(dāng)陽極流率達(dá)到0.95 mg/s，等離子體膨脹呈現(xiàn)典型的雙峰結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)雙極擴(kuò)散的性質(zhì)。特定混合勵(lì)磁模式供電下，陽極流率從0.65 mg/s增大到0.95 mg/s過程中，質(zhì)量利用效率逐漸增大，與質(zhì)量流率呈現(xiàn)正相關(guān)的特性。