，，，

1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，樂(lè)山 614000 2.核工業(yè)西南物理研究院，成都 610041 3.重慶文理學(xué)院，重慶 402160

圓柱形霍爾推力器輪輻效應(yīng)試驗(yàn)研究

桂兵儀1，唐德禮2，*，金凡亞2，田希3

1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，樂(lè)山 614000 2.核工業(yè)西南物理研究院，成都 610041 3.重慶文理學(xué)院，重慶 402160

為了研究圓柱形陽(yáng)極層霍爾推力器運(yùn)行過(guò)程中的輪輻效應(yīng)(rotating spoke)旋轉(zhuǎn)頻率在相關(guān)工作參數(shù)影響下的變化規(guī)律，找出抑制輪輻效應(yīng)的方法，采用了將環(huán)形陽(yáng)極分成獨(dú)立兩段的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)觀測(cè)兩個(gè)獨(dú)立陽(yáng)極段之間的信號(hào)隨放電電壓、工質(zhì)輸送速率等參數(shù)的變化來(lái)定性定量開(kāi)展試驗(yàn)研究。試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果表明，該推力器在運(yùn)行過(guò)程中，隨著放電電壓和氣壓的增加，輪輻效應(yīng)旋轉(zhuǎn)頻率相應(yīng)地獲得提高；在近陽(yáng)極區(qū)域的輪輻效應(yīng)是普遍存在的，即使是在高電壓的條件下；輪輻效應(yīng)旋轉(zhuǎn)頻率主要在10～45 kHz;軸向電流振蕩在獨(dú)立陽(yáng)極段總電流中約占50%。減小工質(zhì)流量，降低放電電壓有利于抑制輪輻效應(yīng)。

霍爾推力器；輪輻效應(yīng)；近陽(yáng)極區(qū)域；陽(yáng)極段；振蕩

霍爾推力器的研究始于20世紀(jì)60年代，該推力器具有無(wú)柵加速特性,因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高且不存在空間電荷效應(yīng)等優(yōu)勢(shì),已經(jīng)越來(lái)越受到航天、航空推力器以及工業(yè)離子源等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[1]。為了更好地了解和使用霍爾推力器，需要對(duì)交叉電磁場(chǎng)作用下等離子體放電過(guò)程中通道內(nèi)的電子傳導(dǎo)進(jìn)行探究，因?yàn)殡娮觽鲗?dǎo)會(huì)直接影響推力器的電機(jī)效率。在霍爾推力器運(yùn)行的過(guò)程中，垂直于交叉電磁場(chǎng)方向的電子傳導(dǎo)水平有時(shí)不能用經(jīng)典的碰撞機(jī)制來(lái)解釋，一些反常電子輸運(yùn)被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)和研究，其中輪輻效應(yīng)受到了越來(lái)越多的關(guān)注[2]。電子在進(jìn)行角向漂移時(shí)并不是各處均勻的，在方位角上會(huì)出現(xiàn)密度振蕩起伏變化，即輪輻效應(yīng)(rotating spoke)。Chesta等將輪輻效應(yīng)的形成歸結(jié)于電熱過(guò)程，如電離，但人們對(duì)具體的形成機(jī)制依舊不是很清楚[3]。

輪輻效應(yīng)已經(jīng)在大量的霍爾推力器以及交叉電磁場(chǎng)設(shè)備中被觀測(cè)到，Janes于1966年首次對(duì)輪輻效應(yīng)不穩(wěn)定進(jìn)行了試驗(yàn)研究[4]。自此以后，人們已經(jīng)從不同的方面對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了初步的試驗(yàn)探究和數(shù)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(shù)對(duì)其影響等試驗(yàn)研究。McDonald等以6 kW H6型號(hào)的霍爾推力器為試驗(yàn)設(shè)備，記錄了運(yùn)行過(guò)程中近陽(yáng)極區(qū)域輪輻的數(shù)目m、振幅以及傳播速度與內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度和放電電壓的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)輪輻效應(yīng)的特性具有很大的影響，且在高電壓和磁感應(yīng)強(qiáng)度下，輪輻效應(yīng)依舊存在[5]。Ellison等利用高速相機(jī)和靜電探針對(duì)具有4段陽(yáng)極的圓柱形霍爾推力器通道內(nèi)輪輻效應(yīng)引起的電流進(jìn)行了直接測(cè)量，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極段上電流主要是由輪輻效應(yīng)引起的，這個(gè)輪輻效應(yīng)對(duì)電子傳導(dǎo)具有促進(jìn)作用[6]。在數(shù)值模擬方面，唐德禮等采用三維particle-in-cell數(shù)值模擬的方法，研究了增加磁場(chǎng)和壓強(qiáng)對(duì)圓柱形陽(yáng)極層霍爾推力器正常運(yùn)行過(guò)程中的輪輻效應(yīng)現(xiàn)象的影響，模擬結(jié)果顯示輪輻效應(yīng)在垂直于交叉電磁場(chǎng)方向的傳播速度只有電子漂移的37%，而且在高磁場(chǎng)的情況下輪輻效應(yīng)更加明顯[2]。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，人們對(duì)輪輻效應(yīng)已經(jīng)有了初步的認(rèn)識(shí)，但是依舊沒(méi)有形成統(tǒng)一的理論機(jī)制，需要更多可量化指標(biāo)為該機(jī)制的建立提供依據(jù)。

本試驗(yàn)所采用的是陽(yáng)極層霍爾推力器，該推力器在結(jié)構(gòu)和工作特性等方面已經(jīng)得到了較為細(xì)致的研究[7-9]。本文定量分析輪輻效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)頻率與霍爾推力器工作參數(shù)的關(guān)系，為抑制這種輪輻效應(yīng)、提高推力器的穩(wěn)定性找出合適的方案。

1 試驗(yàn)裝置及測(cè)量方法

1.1試驗(yàn)裝置介紹

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

調(diào)試平臺(tái)由羅茨泵、機(jī)械泵和分子泵對(duì)真空室進(jìn)行抽真空操作，真空度可達(dá)10-3Pa量級(jí)。試驗(yàn)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(yáng)極層霍爾推力器供電，所用電阻為兩個(gè)3 Ω的等值電阻。

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

1.2 試驗(yàn)測(cè)量方法

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

輪輻的旋轉(zhuǎn)速度與電子垂直于交叉電磁場(chǎng)方向的角向漂移的速度并不是一致的，而是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(nèi)對(duì)輪輻頻率進(jìn)行直接測(cè)量，那么這種靜電探針會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)的輪輻的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，尤其是在探針鄰近區(qū)域[15]，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。因此本試驗(yàn)采用間接測(cè)量輪輻旋轉(zhuǎn)頻率的試驗(yàn)測(cè)量方法，具體的試驗(yàn)方案如圖2所示。

如之前所述，輪輻效應(yīng)將使電子產(chǎn)生軸向漂移，這些軸向漂移的電子最終會(huì)打到陽(yáng)極上，因此可以通過(guò)觀測(cè)陽(yáng)極段上的電流信號(hào)的變化來(lái)間接測(cè)量出輪輻旋轉(zhuǎn)的頻率。在具體的試驗(yàn)操作中，用示波器來(lái)探測(cè)A、C兩處電信號(hào)差的周期性變化，記錄這兩處信號(hào)差的頻率隨工作參數(shù)如放電電壓、氣體輸入速率等的變化，這個(gè)頻率與輪輻旋轉(zhuǎn)的頻率是同步的。同時(shí)還可以用示波器探測(cè)A、B之間以及C、D之間的信號(hào)，記錄陽(yáng)極段上軸向電流的振蕩情況。

圖2 試驗(yàn)電路Fig.2 Experimental measurement circuit diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在本試驗(yàn)中，圓柱形陽(yáng)極層霍爾推力器運(yùn)行過(guò)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(cè)到的圓柱形陽(yáng)極層霍爾推力器A、C兩處電信號(hào)差的變化，即兩個(gè)陽(yáng)極段之間的電信號(hào)差。其中橫坐標(biāo)表示各個(gè)時(shí)刻，每格為20 μs，縱坐標(biāo)表示每個(gè)時(shí)刻所測(cè)電壓大小，每格10 V。從圖3可以看出，電信號(hào)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(hào)Fig.3 Fluctuation of electrical signal between anode section A and C

2.1 放電電壓對(duì)輪輻旋轉(zhuǎn)頻率的影響

圖4記錄了圓柱形陽(yáng)極層霍爾推力器兩個(gè)陽(yáng)極段之間的電信號(hào)在不同氣壓條件下放電電壓對(duì)信號(hào)頻率的影響?？梢钥吹皆诤銐耗Ｊ竭\(yùn)行條件下，當(dāng)氣壓保持不變時(shí)，輪輻旋轉(zhuǎn)的頻率隨著放電電壓的增大而有所提高，但從總體上來(lái)看，輪輻旋轉(zhuǎn)頻率的大小始終處于10 kHz這個(gè)數(shù)量級(jí)。從圖4中曲線的上升趨勢(shì)可以看出，氣壓越高輪輻旋轉(zhuǎn)頻率升高得就越快。由Janes,Esipchuk,Chest等的試驗(yàn)和理論研究可知[3-4,16]，輪輻的產(chǎn)生與中性氣體的離子化相關(guān)?；魻柾屏ζ髦?，認(rèn)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(dāng)放電電壓增大時(shí)，近陽(yáng)極段區(qū)域的電勢(shì)梯度變大，電子將以更高的速度和能量去漂移，電子團(tuán)的旋轉(zhuǎn)頻率也相應(yīng)變快。

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

圖5 高電壓運(yùn)行條件下放電電壓對(duì)輪輻旋轉(zhuǎn)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(yàn)中，圓柱形陽(yáng)極層霍爾推力器都處于低電壓放電的運(yùn)行條件下?，F(xiàn)考慮輪輻效應(yīng)在高電壓的條件下是否存在，如果存在則進(jìn)一步探查其與放電電壓之間的關(guān)系。根據(jù)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(shè)定在0.025 Pa進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)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(jiàn)，無(wú)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(yùn)行過(guò)程中普遍存在，輪輻效應(yīng)可能是霍爾推力器的固有屬性，與運(yùn)行條件無(wú)關(guān)。由前面的試驗(yàn)可得，輪輻旋轉(zhuǎn)的頻率主要在10～45 kHz。由試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，放電電壓越高，輪輻效應(yīng)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(shì)差的振蕩情況Fig.6 Oscillation of potential difference under 0.034 Pa

2.2 氣壓對(duì)輪輻旋轉(zhuǎn)頻率的影響

試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)提高氬氣的進(jìn)氣流速來(lái)提高真空腔內(nèi)的氣壓，氣壓越大，霍爾推力器放電通道內(nèi)的氬粒子濃度則越大。圖7記錄了圓柱形陽(yáng)極層霍爾推力器在恒壓模式的運(yùn)行過(guò)程中，改變真空室內(nèi)的氣壓條件對(duì)輪輻旋轉(zhuǎn)頻率的影響，此時(shí)霍爾推力器的放電電壓保持320 V不變。由圖7可以看出，當(dāng)放電電壓保持不變時(shí)，隨著氣壓的升高，輪輻旋轉(zhuǎn)頻率也會(huì)相應(yīng)得到提高。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)最佳氣壓范圍是0.03～0.05 Pa，在這個(gè)氣壓范圍內(nèi)可以得到較為穩(wěn)定的周期性信號(hào)。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)氣壓越大，周期信號(hào)振幅越大，即輪輻效應(yīng)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(duì)輪輻旋轉(zhuǎn)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(shí)電勢(shì)差的振蕩情況Fig.8 Oscillation of potential difference under 320 V

2.3 每個(gè)陽(yáng)極段放電電流中交流振蕩電流所占比率

在圓柱形陽(yáng)極層霍爾推力器運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)示波器同時(shí)測(cè)量在不同放電參數(shù)條件下A、B之間以及C、D之間的電信號(hào)，如圖9所示，其中橫坐標(biāo)表示各個(gè)時(shí)刻，每格10 μs，縱坐標(biāo)表示每個(gè)時(shí)刻所測(cè)電壓大小，每格5 V。圖9顯示了每個(gè)陽(yáng)極段電信號(hào)中軸向交流振蕩的有效值在獨(dú)立陽(yáng)極段總電流中所占的比例。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)陽(yáng)極段上的交流振蕩比率近似相等，表1為其中一段陽(yáng)極在不同運(yùn)行條件下的比率值。如表1所示，陽(yáng)極段上電流振蕩的比率高達(dá)50%左右，由Ellison 和McDonald等的工作結(jié)果可知，由輪輻效應(yīng)引起的軸向電流振蕩在近陽(yáng)極段區(qū)域是占主導(dǎo)地位的電流振蕩[6，12]。由此可見(jiàn)，抑制輪輻效應(yīng)對(duì)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(diǎn)。

圖9 兩個(gè)獨(dú)立陽(yáng)極段上的電信號(hào)振蕩情況Fig.9 Current oscillations in two independent anodes

表1 陽(yáng)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(jié)束語(yǔ)

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)圓柱形陽(yáng)極層霍爾推力器環(huán)形陽(yáng)極進(jìn)行分段的方法，對(duì)輪輻旋轉(zhuǎn)頻率以及軸向電流振蕩進(jìn)行了試驗(yàn)探究，得到的主要結(jié)論如下：

1)在圓柱形陽(yáng)極層霍爾推力器正常運(yùn)行過(guò)程中，輪輻頻率隨著放電電壓、工質(zhì)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(yuǎn)小于呼吸震蕩，屬于低頻震蕩的范疇?？紤]到所測(cè)放電信號(hào)的穩(wěn)定性，最佳的氣壓范圍是0.03～0.05 Pa，氣壓過(guò)高和過(guò)低都會(huì)對(duì)輪輻的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2)輪輻效應(yīng)在霍爾推力器運(yùn)行過(guò)程中近陽(yáng)極區(qū)域是十分常見(jiàn)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(yùn)行條件無(wú)關(guān)。

3)軸向電流振蕩在獨(dú)立陽(yáng)極段總電流中占據(jù)主導(dǎo)地位。由此可知，輪輻效應(yīng)對(duì)陽(yáng)極段上電子的沉積具有很大的影響。抑制輪輻效應(yīng)對(duì)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(dāng)減小工質(zhì)流量來(lái)降低真空室氣壓時(shí)或者降低放電電壓時(shí)，特征信號(hào)則越來(lái)越不明顯。這說(shuō)明減小工質(zhì)流量，降低放電電壓有利于抑制輪輻效應(yīng)。

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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(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2017-09-24 16:01:01

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

四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2017JY0041)；四川省青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)專項(xiàng)計(jì)劃(2016TD0015)

桂兵儀(1991-)，男，碩士研究生，guibingyi@163.com,研究方向?yàn)榈蜏氐入x子體應(yīng)用

*通訊作者：唐德禮(1969-)，男，研究員，tangdeli@263.net,研究方向?yàn)殡x子源、低溫等離子體及其應(yīng)用

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