變工況下自勵(lì)磁模式LHT-60霍爾推力器放電特性試驗(yàn)研究

陳新偉，高 俊，顧 左，郭 寧，王尚民，史 楷，王倩楠，楊三祥，高 軍，耿 海

（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)室甘肅省空間電推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

近年來，小衛(wèi)星技術(shù)[1]的迅猛發(fā)展和太陽(yáng)能電池陣效率的大幅提高促進(jìn)了低功率、高比沖、長(zhǎng)壽命、集成度高的低功率電推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。霍爾推力器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、推力小、比沖適中、推功比高[2-3]等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天器軌道保持[1]、軌道提升、壽命末期離軌、深空探測(cè)[4-5]等領(lǐng)域。

前蘇聯(lián)是最早試驗(yàn)和應(yīng)用霍爾推力器的國(guó)家。20世紀(jì)70年代至80年代初，前蘇聯(lián)在低軌衛(wèi)星上進(jìn)行了6次低功率霍爾推力器試驗(yàn)，包括4臺(tái)450 W的SPT-60[6]霍爾推力器和8臺(tái)350 W的SPT-50[7]霍爾推力器。1982年起，660 W的SPT-70[6]霍爾推力器在前蘇聯(lián)GEO衛(wèi)星上執(zhí)行東西位置保持任務(wù)。該推力器在軌應(yīng)用前開展了流量、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等變工況下的調(diào)節(jié)試驗(yàn)，獲取了推力器最佳工作點(diǎn)。美國(guó)2000年左右開始低功率霍爾推力器的研制，主要研究機(jī)構(gòu)和工程化研制單位包括Busek公司、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)洛杉磯分校等。Busek公司研制了BHT-200和BHT-600兩款推力器，其中BHT-200[8-9]霍爾推力器在2006年12月16日發(fā)射的TacSat 2小衛(wèi)星上成功應(yīng)用，用于執(zhí)行軌道提升任務(wù)。試驗(yàn)獲取的推力器的主要額定參數(shù)為：放電輸入功率200 W、推力12.8 mN、比沖1 390 s。此外，對(duì)BHT-600[10-11]霍爾推力器進(jìn)行了輸入功率為200～800 W的變工況調(diào)節(jié)研究。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)研制了600 W功率MaSMi-60[12-14]霍爾推力器，測(cè)試了原理樣機(jī)在放電電壓200～400 V、放電功率160～750 W變工況下的放電特性，結(jié)果表明，推力器放電通道長(zhǎng)度和陽(yáng)極構(gòu)型不合理是導(dǎo)致推力器效率低的主要原因。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，一些研究機(jī)構(gòu)在低功率推力器研制和性能提升過程中進(jìn)行了大量的放電特性研究，但是，為了研究變磁場(chǎng)下的工作特性，勵(lì)磁線圈均采用外接電源供電方式而不是自勵(lì)磁模式的配電網(wǎng)絡(luò)。

面向低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的使用需求，蘭州空間技術(shù)物理研究所開展低功率霍爾電推進(jìn)產(chǎn)品的技術(shù)攻關(guān)，成功研制了500 W級(jí)自勵(lì)磁模式LHT-60低功率霍爾推力器。本文針對(duì)蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的60 mm外徑的LHT-60霍爾推力器在較寬的放電電壓和放電功率范圍內(nèi)的工作性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究LHT-60霍爾推力器在放電電壓200～350 V、陽(yáng)極流量1.1～2.0 mg/s，輸入功率180～640 W條件下推力、比沖、陽(yáng)極效率、推功比等宏觀參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)合法拉第探針獲取變工況下束流中離子電流密度分布，獲取推力器的放電特性與電流利用率、質(zhì)量利用率的匹配關(guān)系，建立變工況下自勵(lì)磁工作推力器穩(wěn)定工作特性與效率損失對(duì)應(yīng)關(guān)系，為推力器在軌應(yīng)用提供有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及裝置

1.1 真空系統(tǒng)

試驗(yàn)在蘭州空間技術(shù)物理研究所TS-6A電推進(jìn)真空試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。TS-6A電推進(jìn)真空試驗(yàn)系統(tǒng)尺寸為D2 000 mm×5 000 mm，局部照片如圖1所示。真空系統(tǒng)內(nèi)配備有TMS推力測(cè)量和束流診斷裝置，用于對(duì)霍爾推力器的工作推力和束流發(fā)散特性進(jìn)行評(píng)估。真空系統(tǒng)配有3臺(tái)K-800TD高真空油擴(kuò)散泵、2臺(tái)低溫泵和1臺(tái)F-400分子泵，真空系統(tǒng)對(duì)氙氣的有效抽速為15 000 L/s。系統(tǒng)同時(shí)配備電阻真空計(jì)和電離真空計(jì)組合的復(fù)合真空計(jì)，壓力監(jiān)測(cè)范圍105～10-5Pa。系統(tǒng)極限壓力1.0×10-5Pa，當(dāng)推力器引束流過程氙氣流量為2.0 mg/s時(shí)，系統(tǒng)的帶載壓力可低于1.0×10-3Pa。推力器地面供氣系統(tǒng)由氙氣瓶、減壓閥、流量控制器、管路等組成，流量控制精度可以達(dá)到滿量程的±2%。試驗(yàn)系統(tǒng)還配備了陽(yáng)極、勵(lì)磁，加熱、觸持電源等推力器工作所需的配電系統(tǒng)。

圖1 TS-6A真空系統(tǒng)局部圖Fig.1 The part picture of the TS-6A vacuum equipment

1.2 LHT-60霍爾推力器

試驗(yàn)采用放電室外徑為60 mm的LHT-60霍爾推力器。該推力器主要由放電室、陰極和推力器外殼，勵(lì)磁組件等組成，最顯著的特點(diǎn)是采用了一個(gè)中空環(huán)形線圈作為外線圈，為推力器提供均勻的磁場(chǎng)。自勵(lì)磁工作模式是用一個(gè)陽(yáng)極電源作為放電電源，所有內(nèi)外勵(lì)磁線圈串入推力器主放電回路，推力器工作時(shí)陰極和陽(yáng)極之間主放電回路產(chǎn)生的電流驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁線圈產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)。通過該供電方式可節(jié)省1個(gè)勵(lì)磁電源模塊，簡(jiǎn)化系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)，減少電源數(shù)量，提高星載電推進(jìn)系統(tǒng)的推重比。此外，推力器工作時(shí)所有線圈與放電相互耦合，可以降低推力器放電振蕩，提高電源供電系統(tǒng)的可靠性，延長(zhǎng)推力器服役壽命。推力器自勵(lì)磁模式供電網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 LHT-60霍爾推力器自勵(lì)磁模式供電網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.2 The Schematic of the LHT-60 Hall thruster with self-excited mode power supply relationship

測(cè)量放電電流和電壓等關(guān)鍵參數(shù)的儀器主要包括電流探頭CP1015，量程15 A，頻寬60 MHz，精度±1%FS；高壓差分探頭N1070B，量程700 V，頻寬100 MHz，精度±1%FS；安捷倫示波器3024T，最大采樣率5 GSa/s，帶寬200 MHz。

1.3 推力測(cè)量裝置

推力測(cè)量裝置機(jī)械部分主要由靜架、動(dòng)架、位移傳感器及推力器測(cè)量支架等組成。動(dòng)架通過支撐架安裝在靜架上，霍爾推力器通過安裝支架置于動(dòng)架上，整個(gè)推力測(cè)量裝置通過支架安裝在真空系統(tǒng)上。當(dāng)霍爾推力器點(diǎn)火工作時(shí)，推力的反作用力使動(dòng)架產(chǎn)生位移，該位移經(jīng)過動(dòng)架另一側(cè)的位移傳感器進(jìn)入推力測(cè)量信號(hào)采集系統(tǒng)，再通過試驗(yàn)系統(tǒng)加載的靜電力獲得“力-位移”數(shù)據(jù)，利用胡克定律即可得到霍爾推力器對(duì)應(yīng)某一工況的推力值。該推力裝置量程0～50 mN，精度±0.1 mN。推力器和推力架相對(duì)位置如圖3所示。

1.4 束流診斷系統(tǒng)

采用束流發(fā)散角診斷裝置測(cè)試不同工況下推力器的束流發(fā)散角。該裝置主要由法拉第探針、偏置電源、測(cè)試電路板和計(jì)算機(jī)以及真空二維移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，其中法拉第探針由防護(hù)套、電流收集盤、絕緣墊組成。防護(hù)套與電流收集盤之間的陶瓷件起絕緣和定位作用。電流收集盤直徑為10 mm，收集極和保護(hù)環(huán)間距為1.5 mm，該間距與霍爾推力器羽流等離子鞘層厚度在同一數(shù)量級(jí)，能夠屏蔽束流中非軸向等離子體[15]?？紤]二次電子發(fā)射的影響，盡可能選擇二次電子發(fā)射系數(shù)小的材料作為收集極，本試驗(yàn)選擇的收集極材料為鉬。收集極和外殼分別加載-30 V的偏置電壓，一方面使收集極起到排斥羽流電子流、收集離子流的作用；另一方面確保防護(hù)套（保護(hù)環(huán)）和收集極表面產(chǎn)生均一的等離子鞘層，得到離子電流值，再用離子的電流值除以收集器面積得到離子電流密度。推力器安裝在推力測(cè)量裝置上，其軸線與法拉第探針平面中心重合，三者的相對(duì)位置如圖4所示。

圖3 推力測(cè)量裝置示意圖Fig.3 The schematic diagram of thrust measurement device

圖4 法拉第探針與推力器之間相對(duì)位置Fig.4 The relative position between Faraday probe and hall thruster

推力器總的離子束電流Ib可由式（1）得到：

式中：r為距推力器中心線的徑向距離；ri為探針第i個(gè)位置處的徑向距離；Δr為探針徑向（圖4中Y方向）測(cè)量距離增量；j(r)為離子電流密度（由Faraday探針測(cè)量得到）。

束流發(fā)散角θ由式（2）計(jì)算：

式中：D為霍爾推力器噴口直徑；R90%為霍爾推力器噴口與法拉第探針探測(cè)面處90%總束流值對(duì)應(yīng)的徑向距離；L為探針與推力器的軸線距離。

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)研究了推力器推力、陽(yáng)極比沖、陽(yáng)極效率、放電電流、電流利用效率等參數(shù)隨放電電壓、陽(yáng)極質(zhì)量流量等參數(shù)的變化特性。

推力T[16]可以由式（3）給出：

式中：m˙i為離子流等效質(zhì)量流量為平均離子速度；γ為由束流發(fā)散和多價(jià)離子引起的推力修正系數(shù)；M為氙原子質(zhì)量；Id為放電電流；Vd為放電電壓；e為單位基本電荷。

陽(yáng)極比沖Isp,a的計(jì)算公式為：

陽(yáng)極效率ηa定義為：

式中：Pd為陽(yáng)極放電功率。

推功比是衡量霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。推功比為推力與系統(tǒng)功率的比值：

從式（6）可以看出，隨著放電電壓的增加，推功比降低。

霍爾推進(jìn)器中的放電電流是離子和電子電流的總和，但只有離子電流有助于產(chǎn)生推力。ηb代表束流電流利用效率（即放電電流中離子電流的分?jǐn)?shù)），可以用下式表示：

其中放電電流Id由電流探頭測(cè)量，總的離子束電流Ib由法拉第探針沿推力器徑向積分獲得。

質(zhì)量利用效率ηm為：

2.1 陽(yáng)極質(zhì)量流量和放電電壓的影響

研究了推力器放電電壓為200～350 V，陽(yáng)極質(zhì)量流量1.1～2.0 mg/s下的放電參數(shù)。由于推力器配電網(wǎng)絡(luò)為自勵(lì)磁供電方式，故磁場(chǎng)位型由放電電流決定。

圖5為不同陽(yáng)極質(zhì)量流量、放電電壓下推力器放電電流、功率、推力、陽(yáng)極比沖、陽(yáng)極效率、推功比變化曲線?？梢钥闯?，恒定放電電壓下（如350 V），陽(yáng)極質(zhì)量流量從1.1 mg/s增大到2.0 mg/s時(shí)，推力器放電電流、功率、推力、陽(yáng)極比沖、推功比均呈逐漸增加趨勢(shì)。即放電電流從1.143 A增大到1.786 A，增幅約56.3%；功率從409 W增大到634 W，增幅約54.9%；推力從14.9 mN增大到35.05 mN，增幅約134.9%；陽(yáng)極比沖從1 384 s增大到1 788.3 s，增幅約29.2%；陽(yáng)極效率從22.7%增大到46.1%，增幅約103.5%；推功比從36.5 mN/kW增大到55.28 mN/kW，增幅約51.6%。分析原因?yàn)椋弘S陽(yáng)極質(zhì)量流量增加，推力器放電通道內(nèi)中性原子密度逐漸增大，單位時(shí)間內(nèi)電子在電磁場(chǎng)的作用下獲取能量后進(jìn)入放電通道碰撞中性原子（如氙原子）的頻率（見式（9））增大，電離增強(qiáng)（以低能電子與中性原子的碰撞電離過程為例：e+Xe→ Xe++2e，其中，Xe為氙原子，Xe+為氙離子），電離率增加，離子電流增大，放電電流增加。對(duì)于電離過程，可以用原子和離子沿軸向（z）的一維穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程表示，見式（10）。此外，由于推力器配電網(wǎng)絡(luò)為自勵(lì)磁模式，隨放電電流增加，推力器放電通道磁場(chǎng)增加，對(duì)放電通道內(nèi)陰極發(fā)射電子的約束增強(qiáng)，電子獲得能量增大，電離速率系數(shù)增大，見式（11），放電電流進(jìn)一步增大，導(dǎo)致放電功率、推力增大。隨質(zhì)量流量的增加，放電電流增大，推力逐漸增大，如式（3）、式（5）所示，與本次試驗(yàn)結(jié)果一致。

電子與原子的碰撞頻率ν可以由式（9）計(jì)算：

式中：na為原子數(shù)密度；ve為電子速度；Q為電子和原子的碰撞截面。

對(duì)于電離過程，分別用原子和離子沿軸向（z）的一維穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程表示：

式中：ni為離子數(shù)密度；va和vi分別為原子和離子速度；ne為電子數(shù)密度；βiz為電離速率系數(shù)（與電子溫度Te(z)有關(guān)）。

電離速率系數(shù)βiz可近似表達(dá)為：

式中：β0為陽(yáng)極位置處的電離速率系數(shù)；T*為工質(zhì)電子溫度閾值。對(duì)于氙工質(zhì)，β0=2.2×10-14m3/s，T*=4 eV。

圖5 推力器放電參數(shù)隨陽(yáng)極質(zhì)量流量的變化曲線Fig.5 The variation profiles of thruster discharge parameters as a function of anode mass flow rate

圖6為陰極流量0.1 mg/s、放電電壓320 V下， 不同陽(yáng)極質(zhì)量流量，不同位置處的離子電流密度空間分布曲線，其中圖6（a）中的y為法拉第探針收集中心到推力器出口平面中軸線的距離，x為與推力器出口平行平面的下游到推力器出口平面垂直的距離。為了更清晰展現(xiàn)離子電流空間分布，分兩層顯示同一工況下的離子電流，如圖6（a）所示，下層為離子電流密度柱狀分布圖，上層為離子電流密度3D散點(diǎn)軌跡圖，顯示平面為偏移起點(diǎn)平面。圖6（b）（c）與圖 6（a）類似。由圖 6（a）還可以看出，同一陽(yáng)極質(zhì)量流量下，離子電流密度以軸線為中心沿徑向?qū)ΨQ分布，中軸線處最大，遠(yuǎn)離軸線逐漸減小；從推力器出口沿軸線方向減小。說明推力器羽流呈現(xiàn)雙極（軸向和徑向）擴(kuò)散膨脹的特點(diǎn)。該趨勢(shì)與Dannenmaye等[17]和Diamant等[18]的研究結(jié)果一致。此外，當(dāng)陽(yáng)極質(zhì)量流量從1.1 mg/s增大到1.7 mg/s時(shí)，推力器出口平面同一距離處的離子電流也逐漸增大，如距離推力器出口平面100 mm處，離子電流密度從3.1 mA/cm2增大到10.7 mA/cm2，增大245%。主要原因?yàn)椋S陽(yáng)極質(zhì)量流量增加，推力器放電通道內(nèi)中性原子密度逐漸增大，單位時(shí)間內(nèi)電子碰撞原子的頻率增大，電離率增加，羽流中離子電流增大。

圖6 不同陽(yáng)極質(zhì)量流量下離子電流密度的空間分布Fig.6 The Spatial distribution of ion current density with different anode mass flow rates

圖7（a）為放電電壓320 V，陰極質(zhì)量流量0.1 mg/s下，不同陽(yáng)極質(zhì)量流量下的束流發(fā)散角、電流利用效率、質(zhì)量利用效率變化曲線圖?？梢钥闯觯?yáng)極質(zhì)量流量從1.1 mg/s增大到1.7 mg/s時(shí)，電流利用效率和質(zhì)量利用效率逐漸增加，束流發(fā)散角呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，其中電流利用效率從0.65增大到0.79，增加21.5%；質(zhì)量利用效率從0.62增大到0.81，增加30.6%；束流發(fā)散角從61.3°減小到58.5°，減小2.8°。主要原因?yàn)?，隨質(zhì)量流量增加，電離效率增強(qiáng)，因此，質(zhì)量利用率和電流利用效率不斷增大。此外，由于采用自勵(lì)磁供電，勵(lì)磁線圈串入放電回路使放電增強(qiáng)，進(jìn)一步誘導(dǎo)勵(lì)磁線圈使推力器放電通道內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，對(duì)進(jìn)入放電通道內(nèi)的電子的約束增強(qiáng)，電子在放電通道與中性原子的碰撞概率增加，由式（9）和式（10）可知，離子電流密度增加，因而離子總電流增加，電流利用效率和質(zhì)量利用效率進(jìn)一步增加。束流發(fā)散角隨質(zhì)量流量增加不斷減小的可能原因?yàn)椋河捎陉?yáng)極質(zhì)量流量的增大，而且推力器采用了自勵(lì)磁供電模式，放電電流的增大進(jìn)一步誘導(dǎo)磁場(chǎng)增強(qiáng)，推力器放電通道內(nèi)部離子受到軸向電場(chǎng)作用增加，外通道方向的徑向電場(chǎng)作用減弱，綜合作用導(dǎo)致推力器聚焦作用增強(qiáng)，束流發(fā)散角有所降低。

從式（3）可以看出，推力（T）、陽(yáng)極比沖與放電電壓（Vd）成正相關(guān)的關(guān)系。從圖5可以看出，恒定陽(yáng)極流量下，當(dāng)放電電壓從200 V增大到320 V時(shí)，放電電流、功率、推力、陽(yáng)極比沖隨電壓的增加而增大。主要原因?yàn)椋|(zhì)量流量恒定下（中性原子一定），隨著電場(chǎng)增加，電磁場(chǎng)對(duì)進(jìn)入放電室內(nèi)部電子的約束和加速作用增強(qiáng)，放電電流增大，對(duì)離子的加速作用增大，束流離子的平均速度提高，離子的能量增大，從而推力增大。但是，陽(yáng)極效率、推功比隨電壓的增大而減小，陽(yáng)極效率減小。主要的原因?yàn)?，隨放電電壓的增加，束流中二價(jià)離子和三價(jià)離子的比例增加（但Xe+仍然在等離子體中占主導(dǎo)地位），多價(jià)離子容易降低推力器的性能?？傂逝c單價(jià)離子效率比如式（12）：

式中：η為總效率；η+為一價(jià)離子效率；qi為第i價(jià)離子電荷量；Ωi為束流離子占總電流比例，其中，Ii為第i價(jià)離子形成的電流。

由式（12）可以看出，等號(hào)右側(cè)總是小于1，因此三價(jià)離子的效率（對(duì)于相同的束流）總是小于二價(jià)離子的效率。

當(dāng)放電電壓進(jìn)一步增到350 V，同一質(zhì)量流量下放電電流未繼續(xù)增大，說明在該質(zhì)量流量、配電網(wǎng)絡(luò)下，推力器中的離子和電子到達(dá)陽(yáng)極形成的放電電流為最大值。放電電壓增加，導(dǎo)致輸入功率增加。但推力、陽(yáng)極比沖并未增加，主要可能的原因是推力器羽流發(fā)散效率（cos2θ）降低的緣故。隨放電電壓增大到350 V，效率、推功比呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，原因是推力器熱損失比例增大，轉(zhuǎn)化為束流推力的有用功減小。由此，320 V放電電壓為可定位為理想的推力器放電電壓。

圖7 束流發(fā)散角、電流利用效率和質(zhì)量利用效率隨陽(yáng)極質(zhì)量流量和放電電壓的變化曲線Fig.7 The Curves of beam divergence angle，current utilization efficiency and mass utilization efficiency under different anode mass flow rates and anode voltages

圖7（b）為陽(yáng)極流量1.4 mg/s，陰極質(zhì)量流量0.1 mg/s下，不同放電電壓下束流發(fā)散角、電流利用效率、質(zhì)量利用效率變化曲線。可以看出，放電電壓從200 V到320 V，電流利用效率和質(zhì)量利用效率逐漸增加，束流發(fā)散角呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，其中電流利用效率從0.64增大到0.76（增加18.7%）、質(zhì)量利用效率從0.65增大到0.78（增加20%），束流發(fā)散角從61.4°減小到59.2°（減小2.2°）。隨著放電電壓的增加，電流利用效率和質(zhì)量利用效率逐漸增加。這是因?yàn)?，隨放電電壓增加，電磁場(chǎng)作用增加，放電通道電離作用增強(qiáng)，放電電流增加，進(jìn)一步誘導(dǎo)磁場(chǎng)增強(qiáng)，對(duì)電子的約束增強(qiáng)，電流利用效率和質(zhì)量利用效率增加。此外，由于磁場(chǎng)、電場(chǎng)增強(qiáng)、束流加速和聚焦性逐漸增加，使發(fā)散角呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，該特性與Conversano等[12]對(duì)低功率霍爾推力器的研究結(jié)果一致。Hofer等[19]的研究結(jié)果表明，推力器羽流發(fā)散與電離區(qū)中心位置（Zi）或電離區(qū)長(zhǎng)度（Lion=va/(neveσiz)，其中va、ve分別為原子和電子速度，ne為電子密度，σiz為電離截面）和加速區(qū)的長(zhǎng)度（La）變化有關(guān)。在霍爾推力器中，兩個(gè)區(qū)域重疊，正是基于此，推力器最優(yōu)總效率不對(duì)應(yīng)于兩個(gè)區(qū)域完全分離的地方。這是因?yàn)閷㈦婋x區(qū)從加速區(qū)移開會(huì)增加離子流壁上速度的損失。隨著放電電壓的增加，Zi向上游移動(dòng)或Lion沿陽(yáng)極方向增加。因此，束流發(fā)散角減小可歸因于加速區(qū)的移動(dòng)或電離區(qū)的增長(zhǎng)。一般來說，由于壁面損失較高，較長(zhǎng)的電離區(qū)可能不利于提高推力器的效率和壽命。然而，采用自勵(lì)磁供電模式、在電磁場(chǎng)共同作用下，隨放電電壓的增加，束流發(fā)散角逐漸較小，因此更好的聚焦效率可能會(huì)減少額外的壁面損失。這與文中測(cè)量的200～320 V電壓下束流發(fā)散角從61.4°減小到59.2°（減小2.2°）一致。

2.2 放電功率的影響

圖8為不同放電電壓下，推力、陽(yáng)極比沖、效率和推工比隨放電功率的變化。可以看出，陽(yáng)極功率從200 W增大到700 W的過程中，推力從8.2 mN增大到31.2 mN左右，與功率變化基本成線性關(guān)系。相應(yīng)地，陽(yáng)極比沖從785 s增大到1 685 s左右，效率從的15.1%增大到40.75%左右，推功比從的42.5 mN/kW增大到55.75 mN/kW，與Conversano等[7]研制的MaSMi-60-LM2的結(jié)果類似。

ISCT-200 MS是 Garrigues等[20]研制的200 W級(jí)低功率霍爾推力器。表1為L(zhǎng)HT-60與MaSMi-60-LM2、ISCT-200 MS主要參數(shù)對(duì)比。由表中可以看出，同功率下（550 W）LHT-60推力器的推力比MaSMi-60-LM2高2 mN，陽(yáng)極比沖高236 s，效率高5.8%。效率高的主要原因是采用了高效的放電磁路設(shè)計(jì)、高的放電電壓和自勵(lì)磁模式供電（無勵(lì)磁功率）。陽(yáng)極比沖、效率高于200 W ISCT-200推力器，主要原因?yàn)椋?00 W ISCT-200放電口徑小，表面積與體積比大，造成等離子體與放電室壁面碰撞損失增大。

圖8 不同放電電壓下放電參數(shù)隨放電功率的變化曲線Fig.8 The change of thrust，anode specific impulse，efficiency and thrust-to-power at different discharge voltages

表1 與國(guó)際知名推力器主要參數(shù)對(duì)比表Tab.1 Comparison of with the main parameters of the internationally well-known hall thrusters

3 結(jié)論

本文以LHT-60霍爾推力器為對(duì)象，重點(diǎn)研究了自勵(lì)磁供電模式下推力器推力、比沖、效率、發(fā)散角、電流利用率等在變工況下（不同放電電壓、陽(yáng)極質(zhì)量流量）的變化，得出以下結(jié)論：

（1）在自勵(lì)磁模式、恒定放電電壓下，隨陽(yáng)極質(zhì)量流量增加，放電通道內(nèi)中性原子增多，電子與原子的碰撞電離增強(qiáng)，電離率增加，離子電流增大，使放電通道磁場(chǎng)增加，對(duì)放電通道內(nèi)陰極發(fā)射電子的約束增強(qiáng)，進(jìn)一步導(dǎo)致功率、推力、陽(yáng)極比沖、推功比、電流利用效率、質(zhì)量利用效率增大，束流發(fā)散角隨陽(yáng)極質(zhì)量流量的增大而減小；

（2）恒定陽(yáng)極流量下，放電電壓從200 V增大到320 V時(shí)，放電電流、功率、推力、陽(yáng)極比沖、電流利用率、質(zhì)量利用率等隨電壓的增加而增大，并在320 V達(dá)到穩(wěn)定值。說明在自勵(lì)磁模式、特定范圍功率約束下，由放電電流誘導(dǎo)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度使得電子和離子形成最佳的推力值。放電電壓繼續(xù)增大至350 V，輸入功率增加，效率有所降低。但由于羽流發(fā)散效率、推力、陽(yáng)極比沖未隨放電電壓增加而增加?？紤]到推力器必須長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，因而以320 V為推力器的最佳工況電壓。此外，由于采用了高放電電壓和自勵(lì)磁模式供電，與MaSMi-60-LM2相比，推力器在額定供電、供氣下，推力高2 mN、陽(yáng)極比沖高236 s、效率高5.8%。