杜建華，胡俊鋒，楊子怡

1.北京控制工程研究所，北京100094 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)動(dòng)力研究所，哈爾濱 150001

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回路參數(shù)對(duì)霍爾推力器點(diǎn)火脈沖電流影響

杜建華1，*，胡俊鋒2，楊子怡2

1.北京控制工程研究所，北京100094 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)動(dòng)力研究所，哈爾濱 150001

在分析霍爾推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中電源側(cè)脈沖電流形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過解析分析和變參數(shù)試驗(yàn)的方法研究了外回路參數(shù)與電源側(cè)脈沖電流峰值之間的規(guī)律。研究結(jié)果表明，隨著外回路電容和電感的增大，電源脈沖點(diǎn)火電流峰值減小，根據(jù)理論推導(dǎo)得到的霍爾推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程電源脈沖電流峰值函數(shù)，分析了外回路電感、電容參數(shù)對(duì)點(diǎn)火脈沖電流的影響，給出了給定電感值下電感線圈匝數(shù)、磁環(huán)導(dǎo)磁截面積、磁芯材料BH曲線的要求，為霍爾推力器放電外回路的參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論參考。

霍爾推力器；電源側(cè)脈沖電流；點(diǎn)火啟動(dòng)；外回路參數(shù)；電感

霍爾推力器穩(wěn)定工作的前提是確保其可靠點(diǎn)火，尤其在應(yīng)用于小衛(wèi)星編隊(duì)飛行任務(wù)[1]或高精度脈寬調(diào)制模式時(shí)，推力器將頻繁地經(jīng)歷點(diǎn)火與關(guān)機(jī)過程[2]。而在霍爾推力器點(diǎn)火過程中，電源側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)脈沖電流，脈沖電流持續(xù)時(shí)間約為幾十微秒，脈沖電流峰值為正常電源回路電流數(shù)十倍，電源端脈沖電流峰值甚至?xí)虝r(shí)超過電源保護(hù)電流的整定值，嚴(yán)重影響霍爾推力器的安全運(yùn)行。盡管霍爾推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程只有幾十微秒，這幾十微秒的特性對(duì)推力器系統(tǒng)影響很大，電流沖擊可能會(huì)破壞推力器整體絕緣性，甚至?xí)_擊整個(gè)電路的電源系統(tǒng)，嚴(yán)重影響推力器在軌運(yùn)行的可靠性。因此，航天器在軌運(yùn)行過程中，需要保證推力器的可靠點(diǎn)火，同時(shí)盡可能降低點(diǎn)火沖擊。

霍爾推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程本質(zhì)上是正交電磁場(chǎng)下的氣體雪崩擊穿過程，對(duì)于正交電磁場(chǎng)下氣體擊穿理論研究是有借鑒意義的。Meyer研究空氣擊穿電壓在存在橫向磁場(chǎng)條件下的變化，并在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)最小擊穿電壓所對(duì)應(yīng)的壓力變化[3]。Wehrli通過計(jì)算，得到磁場(chǎng)對(duì)擊穿條件和湯生系數(shù)的影響[4]。Blevin和Haydon著重考慮氣體擊穿時(shí)電子雪崩過程，初步得到磁場(chǎng)存在時(shí)，氣體擊穿過程中電子能量，漂移速度和湯生系數(shù)的變化[5-6]。Petraconi和Maciel研究磁場(chǎng)對(duì)電離系數(shù)和二次發(fā)射電子系數(shù)的影響，結(jié)果表明當(dāng)外加與電場(chǎng)正交磁場(chǎng)時(shí)，氣體擊穿電壓會(huì)降低[7]。Blevin和Brennan通過研究正交磁場(chǎng)下氣體擊穿過程中電子群位置以確定電離率、電子漂移速度等，進(jìn)而分析磁場(chǎng)對(duì)湯生放電特性[8]。

霍爾推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程，是多參數(shù)相互耦合過程，其成功與否除了與放電電壓、勵(lì)磁電流和質(zhì)量流量等宏觀放電參數(shù)有關(guān)，還受到外回路參數(shù)的影響。法國的Vial和俄羅斯Arkhipov分別在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)放電電流在推力器點(diǎn)火瞬間會(huì)有一個(gè)脈沖。不同的是，Arkhipov在推力器啟動(dòng)過程中觀察到兩個(gè)電流峰值，并認(rèn)為第1個(gè)電流峰值與電源濾波器的電容放電有關(guān)，第2個(gè)脈沖電流是通道內(nèi)大量氙原子電離所致。Vial在點(diǎn)火瞬間發(fā)現(xiàn)的電流峰值大約為正常放電電流的數(shù)倍，并且之后放電電流會(huì)出現(xiàn)與呼吸機(jī)制有關(guān)的低頻振蕩。Arkhipov還進(jìn)行不同濾波器參數(shù)下的點(diǎn)火試驗(yàn)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部放電特性與外回路參數(shù)間的聯(lián)系，得到電源電路參數(shù)決定脈沖電流持續(xù)時(shí)間的結(jié)論[9-10]。

普林斯頓大學(xué)的Ellison和Raitses通過高速CCD相機(jī)研究點(diǎn)火啟動(dòng)過程，展示了從推力器點(diǎn)火到穩(wěn)定50 μs時(shí)間段內(nèi)的電離過程[11]。同時(shí)，Vial利用高速CCD相機(jī)研究點(diǎn)火啟動(dòng)過程各表征參數(shù)隨時(shí)間演化過程[10]，結(jié)果顯示等離子振蕩與呼吸振蕩模式有關(guān)，啟動(dòng)過程羽流區(qū)周期性的振蕩是電離區(qū)從陰極逐漸向陽極移動(dòng)的結(jié)果。

Taccogna建立了包括整個(gè)放電通道的二維軸對(duì)稱模型，對(duì)霍爾推力器的點(diǎn)火過程進(jìn)行模擬研究。同時(shí)，為了減小模擬計(jì)算量，Taccogna采用相似設(shè)計(jì)方法，通過PIC模擬得到了點(diǎn)火過程中電勢(shì)、電子、離子和等離子體密度等參數(shù)隨時(shí)間的變化過程[12]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉輝考慮到點(diǎn)火啟動(dòng)過程中的特殊性，把電子看作一個(gè)能夠發(fā)射20 A電子電流的熱陰極，對(duì)Taccogna原有模型進(jìn)行修正，同時(shí)在模型中考慮了推力器的近場(chǎng)羽流區(qū)。因此，模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相似，再現(xiàn)了點(diǎn)火過程放電電流峰值的演化過程[13]。

本文將從電源側(cè)脈沖電流形成的物理機(jī)理出發(fā)，通過試驗(yàn)的方法研究電源側(cè)脈沖電流變化規(guī)律，然后從發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部放電特性和外回路濾波單元兩個(gè)層面分析電源側(cè)脈沖電流的影響機(jī)理，進(jìn)而推導(dǎo)得到電源脈沖電流峰值的理論公式，給出電源電流峰值合理的預(yù)測(cè)邊界。

1　試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)平臺(tái)主要包括真空系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，控制與測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室的真空系統(tǒng)包括真空罐、抽真空設(shè)備、測(cè)量真空的真空計(jì)、控制閥門和連接管路。真空罐直徑為1.2 m，長4 m，由無磁性不銹鋼組成，其靜態(tài)真空度能達(dá)到10-3Pa量級(jí)，滿足試驗(yàn)要求真空度。

試驗(yàn)中使用的霍爾推力器是HPPL研制的千瓦級(jí)HET-100試驗(yàn)樣機(jī)?；魻柾屏ζ鞣烹娡ǖ朗怯傻鹛沾杉庸ざ?，外陶瓷套筒直徑為100 mm，通道軸向尺寸為51 mm。HET-100所使用的工作介質(zhì)為純度為99.999%的氙氣。額定工況下，分別利用100 mL/min和10 mL/min的兩個(gè)AFC50D質(zhì)量流量計(jì)為推力器和陰極供氣，流量計(jì)的控制精度小于1%，直流穩(wěn)壓電源單獨(dú)為推力器和串聯(lián)勵(lì)磁線圈供電。

試驗(yàn)測(cè)量裝置采用Yokogawa公司橫河DL850示波記錄儀。垂直分辨率12 bit，可實(shí)現(xiàn)最大1 000 V輸入，條件動(dòng)作觸發(fā)等功能。

試驗(yàn)中點(diǎn)火電路如圖1所示，外回路參數(shù)對(duì)電源端電流影響實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)流程如下：

圖1　供電系統(tǒng)示意Fig.1　Power supply schematic diagram

1)啟動(dòng)系統(tǒng)，確保真空罐的真空條件，保持HET-100最優(yōu)工況下的放電參數(shù)不變：采用氙氣工質(zhì)，工質(zhì)陽極流量42.8 mL/min，放電電壓260 V，采用同一串聯(lián)勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流3.5 A。

2)在放電參數(shù)不變的條件下，開始進(jìn)行外回路參數(shù)改變的點(diǎn)火試驗(yàn)。首先，保證濾波單元的電感不變，電容從10 μF開始，以步距10 μF逐漸增加到70 μF，每一電容值下進(jìn)行點(diǎn)火10次，測(cè)量HET-100啟動(dòng)過程中電源端脈沖電流變化情況。然后，在同一試驗(yàn)條件下，電容固定為10 μF和30 μF，改變電感值范圍0.1～0.7 mH@0.1 mH/step，不同電感值下推力器進(jìn)行10次點(diǎn)火，測(cè)量推力器啟動(dòng)過程中電源端脈沖電流特性。

2　試驗(yàn)結(jié)果及討論

現(xiàn)有的研究表明，霍爾推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中，電源端不可避免地會(huì)出現(xiàn)一個(gè)持續(xù)時(shí)間大約為幾十微秒，峰值大約為幾百安培的脈沖電流。眾所周知，出于安全性，通常電源會(huì)設(shè)定一個(gè)過流保護(hù)值，一旦電流超過過流值，電源就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉輸出[14]。因此，點(diǎn)火啟動(dòng)過程中，這種電源電流峰值的不確定性導(dǎo)致電源過流值設(shè)定存在不確定性，影響推力器的可靠運(yùn)行。同時(shí)，在任一能滿足推力器成功點(diǎn)火的放電參數(shù)下，點(diǎn)火啟動(dòng)過程中電源電流峰值都是推力器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電源電流的數(shù)十倍，瞬間高電流會(huì)沖擊電源系統(tǒng)，引起電磁干擾，影響電源使用壽命[15]。

點(diǎn)火瞬間放電脈沖電流是通道內(nèi)原子瞬間雪崩式電離的結(jié)果。瞬間高電流造成由電阻、電容和電感三者組成的濾波電路中電容兩端電壓下降，電容兩端電壓跌落，電源會(huì)通過電感與電阻給電容充電，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)電源端形成脈沖電流。點(diǎn)火啟動(dòng)過程時(shí)間數(shù)量級(jí)為微秒量級(jí)，時(shí)間很短，所以根據(jù)點(diǎn)火電路及基爾霍夫定律，點(diǎn)火啟動(dòng)過程中電源端電流可以表示為

(1)

式中：IP為電源端電流；Id0為推力器穩(wěn)定工作時(shí)的放電電流；C為電容器電容；ΔU為電容兩端的電壓降；Δt為電容充電時(shí)間。

大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)電源電流達(dá)到最大值時(shí)，放電電流已基本趨于穩(wěn)定，因此式(1)中Id0表示推力器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的放電電流，并可以初步認(rèn)為電源電流峰值主要取決于電容兩端的電壓降以及電容充電時(shí)間。電容器充電時(shí)間與RLC濾波電路參數(shù)有關(guān)，由電路理論基礎(chǔ)和角頻率可以計(jì)算諧振周期

(2)

式中：T為諧振周期；L為濾波單元電感。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得電容充電時(shí)間大約為其固有周期的1/4，即電源端電流表達(dá)式可表示為

(3)

利用電路理論及電感定義式，并結(jié)合以上各式可以得到

(4)

式中：μ為磁導(dǎo)率；N為電感線圈匝數(shù)；S為電感磁路的橫截面積；li為電感磁路長度。

如果流過電感的電流沒有超過允許值范圍，電感的電感值不會(huì)改變，如果電感上電流過大，磁導(dǎo)率μ將會(huì)減小，電感值L也會(huì)隨之減小。更確切地說，根據(jù)磁化曲線，B與H之間存在一段非線性關(guān)系飽和區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)，當(dāng)H增加時(shí)，B幾乎不怎么改變。這主要是由于電流引起電感L變化引起的，變化關(guān)系體現(xiàn)在磁導(dǎo)率的不同。因此，用指數(shù)函數(shù)形式對(duì)磁導(dǎo)率μ和磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合函數(shù)

(5)

式中：a，b為擬合系數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度。綜合電路理論和式(5)可得

(6)

將式(6)帶入式(4)，可以得到推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中電感的變化關(guān)系式：

(7)

在推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中，電感會(huì)出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，電感值瞬間減小。此時(shí)電感的阻抗只有幾歐，然而，試驗(yàn)中與電感并聯(lián)的電阻阻值為120 Ω，遠(yuǎn)大于電感的阻抗值。因此，可以忽略通過電阻的電流，認(rèn)為電流只通過電感給電容充電。將L表達(dá)式(7)帶入式(3)中，同時(shí)Id0考慮到遠(yuǎn)小于Ip，因此，式(3)可以表示為：

(8)

從電源電流峰值公式(8)中不難看出，電源電流峰值取決于外回路電感參數(shù)和電容兩端電壓降，而電容兩端電壓降與電容、推力器陽極流量，放電電壓等放電參數(shù)有關(guān)，即電源電流峰值不僅受放電參數(shù)的影響，同時(shí)也受外回路參數(shù)的影響。

2.1電容對(duì)電源側(cè)脈沖電流的影響

試驗(yàn)分別測(cè)量了不同電容下推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中電源端脈沖電流，統(tǒng)計(jì)結(jié)果得到電源端脈沖電流峰值隨電容變化規(guī)律，如圖2所示。從圖中可以看出，推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中電源端脈沖電流峰值隨電容增大逐漸減小。根據(jù)上節(jié)中對(duì)電源端電流形成機(jī)理分析，由式(8)可知，在其他參數(shù)不變的前提下，當(dāng)電容值增加時(shí)，電源端電流脈沖峰值將隨之增加，而試驗(yàn)結(jié)果卻出現(xiàn)與公式相反結(jié)果，這意味著電容值的改變同時(shí)還伴隨著其他參數(shù)的變化。

圖2　電源脈沖電流和電容兩端電壓降隨電容變化規(guī)律Fig.2　Variation of the power pulse current andthe voltage drop across capacitance with capacitances

為分析具體參數(shù)變化，結(jié)合電容本身特性進(jìn)行分析，電容值大小表征電容儲(chǔ)存電荷能力，即電容維持其兩端電壓的能力。電容值C越大，電容儲(chǔ)存電荷能力越強(qiáng)，電容兩端電壓變化越小。因此，電容值的改變會(huì)引起推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中電容兩端電壓降的變化。圖2同時(shí)給出了推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中電容兩端電壓降隨電容變化情況?？梢?，電容兩端電壓降在電容增加情況下有明顯減小趨勢(shì)。

綜合考慮，當(dāng)外回路電容參數(shù)變化時(shí)，Ipmax公式中會(huì)出現(xiàn)電容C和電容電壓降ΔU的變化，并且兩者變化方向相反。比較來看，ΔU的變化范圍遠(yuǎn)大于C的變化范圍，C對(duì)電流峰值的影響在微安數(shù)量級(jí)，而ΔU對(duì)電流峰值的影響在幾十安數(shù)量級(jí)上，因此，在探討電容對(duì)電源端脈沖電流峰值影響時(shí)，忽略電容值本身的變化，主要考慮電容改變引起電容兩端電壓降的變化，從而導(dǎo)致電源端脈沖電流峰值的變化。其變化規(guī)律表現(xiàn)為：隨著濾波器電容的增加，推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程電源端脈沖電流峰值是減小的。經(jīng)過分析外回路參數(shù)的影響機(jī)理，改變?yōu)V波器參數(shù)得到電源脈沖電流峰值理想的減小趨勢(shì)，這對(duì)減小電源電流沖擊，未來解決推力器電源安全可靠性具有借鑒意義。

2.2電感對(duì)電源側(cè)脈沖電流的影響

(1)電感量對(duì)電源側(cè)脈沖電流的影響

根據(jù)所述試驗(yàn)方案進(jìn)行電感點(diǎn)火試驗(yàn)，對(duì)點(diǎn)火啟動(dòng)過程電源端脈沖電流峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程，電源端脈沖電流峰值與電感的關(guān)系如圖3所示。

圖3　電源脈沖電流隨電感變化規(guī)律Fig.3　Relationship between power pulse current and inductances

從圖3中可以看出，在不同的電容下，推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中，電源端電流峰值隨著電感值的增加而減小。根據(jù)電源電流峰值式(8)可知，電源電流峰值與電感有關(guān)，試驗(yàn)中電感參數(shù)變化主要是通過改變電感線圈匝數(shù)和電感磁路，于是式(8)中會(huì)有兩個(gè)變化量，較難得出Ip與電感的變化趨勢(shì)。由L與電源電流峰值Ip之間的關(guān)系式(3)可知，Ip反比于L，即隨著L的增加，Ip減小。針對(duì)L與Ip反比關(guān)系的可能性解釋如下：由電感在電路中的作用可知，電感主要作用是阻礙電流變化，電感值越大，電感阻礙電流變化作用越強(qiáng)，即推力器濾波電路中電流變化趨勢(shì)變緩，電源電流峰值變小，因此，電源電流峰值隨著電感值增加具有減小趨勢(shì)。簡(jiǎn)單來看，電源電流峰值隨電感增加而減小這一試驗(yàn)結(jié)果與理論分析趨勢(shì)定性吻合。

(2)不同電感參數(shù)下的電源脈沖電流峰值理論預(yù)測(cè)邊界

推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中，不同放電參數(shù)下電源脈沖電流峰值的試驗(yàn)研究表明，電源脈沖電流峰值最終取決于推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中放電通道內(nèi)原子電離電荷量。啟動(dòng)過程中的極限情況是通道內(nèi)所有原子全部被電離。因此，可以利用原子全部電離的電荷數(shù)來估算點(diǎn)火啟動(dòng)過程中電源脈沖電流峰值的最大值。假設(shè)推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中，放電通道內(nèi)氙原子為理想氣體，并且在此過程中全部被電離。根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程，可得發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)過程中，原子電離電荷量

(9)

式中：e=1.6×10-9C，為電子電荷；N為原子總數(shù)量；P(l)為點(diǎn)火前通道內(nèi)壓力；R為理想氣體常數(shù)；T為點(diǎn)火前氙原子溫度；NA=6.02×1023為阿伏伽德羅常數(shù)；SC為放電通道橫截面積；l1為氣體分配器對(duì)應(yīng)的軸向坐標(biāo)，規(guī)定l1=0；l2為放電通道出口對(duì)應(yīng)的軸向坐標(biāo)。

針對(duì)本試驗(yàn)中HET-100型號(hào)推力器，有R=8.3J/(molK)，T=300K，SC=4.0×10-3m2,l1=0，l2=50mm。

整理得到推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中電源脈沖電流峰值最大值

(10)

由電源脈沖電流峰值理論預(yù)測(cè)公式(10)可以看出，當(dāng)放電參數(shù)確定后，放電通道內(nèi)原子數(shù)目就已確定，即相同工況下濾波器參數(shù)是影響電源脈沖電流峰值的主要因素，對(duì)于匹配的濾波器參數(shù)，則濾波器中各元件的選擇至關(guān)重要。

式(10)中顯示電感參數(shù)的選擇最為重要，比如，同為0.1mH的電感，電感輸入?yún)?shù)的改變將直接反映在式(10)中，磁芯的改變會(huì)改變公式中擬合參數(shù)a和b，線圈匝數(shù)N，磁環(huán)導(dǎo)磁截面積S以及磁路的長度li都是式(10)的主要參數(shù)[16]，因此在匹配濾波器參數(shù)L=0.1mH，C=10μF和R=120不變的條件下，改變電感相關(guān)輸入?yún)?shù)。首先在磁芯材料以及電感值L不變的前提下，分別改變線圈匝數(shù)、磁環(huán)導(dǎo)磁截面積和磁環(huán)回路長度，變化參數(shù)如表1所示，根據(jù)電感輸入?yún)?shù)利用式(10)得到不同參數(shù)下推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中電源脈沖電流峰值，如圖4所示。

表1　電感參數(shù)變化

圖4　不同電感參數(shù)下的電源側(cè)脈沖電流Fig.4　Power pulse current under different inductance parameters

結(jié)果中顯示，在相同濾波器參數(shù)條件下，推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中，電源脈沖電流峰值與制作電感的線圈匝數(shù)與磁環(huán)導(dǎo)磁截面積乘積有關(guān)，只要保證兩者乘積不變，通過式(10)計(jì)算所得的電源電流峰值的預(yù)測(cè)值就不變，見圖4中最上面一條線和最下面一條線，N、S和li不同，但是制作電感的線圈匝數(shù)與磁環(huán)導(dǎo)磁截面積乘積相同，兩者預(yù)測(cè)值相同。

同時(shí)，從圖4中可以看出，在相同濾波器參數(shù)下，霍爾推力器在啟動(dòng)過程中的電源脈沖電流峰值的預(yù)測(cè)值會(huì)隨著電感的線圈匝數(shù)與磁環(huán)導(dǎo)磁截面積乘積減小而增加。此結(jié)果對(duì)濾波器的選擇具有指導(dǎo)意義，在確定濾波器參數(shù)條件下，在選擇相同參數(shù)的電感下，應(yīng)該選擇線圈匝數(shù)與環(huán)磁導(dǎo)磁截面積乘積較大的電感，即相同電感值下，線圈匝數(shù)較多，導(dǎo)磁環(huán)較大的電感更有利于減小霍爾推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中電源脈沖電流的峰值。

隨后，保證式(10)中N、S和li不變，改變公式中a和b的值，也即是不改變電感值的條件下改變磁芯材料。因此，本文選取了5種不同磁芯材料進(jìn)行對(duì)應(yīng)的5組試驗(yàn)，圖5反映了不同磁芯材料的電感磁導(dǎo)率隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)律，可以看出，5種磁芯材料電感磁導(dǎo)率均隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增大而減小，其中材料5的電感磁導(dǎo)率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化最慢。

根據(jù)式(10)對(duì)電源側(cè)電流峰值進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖6所示。從試驗(yàn)結(jié)果來看，在相同工況下第4組試驗(yàn)電源側(cè)脈沖電流峰值明顯高于其他4組對(duì)應(yīng)的值，相反的是，第5組的電源側(cè)脈沖電流峰值最小。結(jié)合圖5，可以根據(jù)此變化趨勢(shì)初步判斷，制作電感的電感磁芯應(yīng)該選擇磁芯飽和時(shí)B隨H變化慢的材料。

圖5　不同材料的電感磁導(dǎo)率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.5　Inductance permeability of different materials as a function of magnetic field intensity

電感磁芯材料。線圈匝數(shù)、橫截面積和有效長度的分析模擬結(jié)果揭示了推力器濾波單元中電感參數(shù)的選擇原則，將霍爾推力器在啟動(dòng)過程中的電源脈沖電流峰值的預(yù)測(cè)值最小化，這為霍爾推力器電源設(shè)計(jì)、過流保護(hù)整定提供了強(qiáng)有力地依據(jù)。

圖6　不同磁性材料下電源側(cè)脈沖電流Fig.6　Power pulse current under different magnetic materials

3　結(jié)束語

本文首先理論分析了推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中，電源端脈沖電流形成機(jī)理。并通過解析分析和試驗(yàn)的方法主要研究了濾波器參數(shù)對(duì)電源脈沖電流峰值的影響。結(jié)果表明，當(dāng)濾波器電容參數(shù)增加，電感參數(shù)增加時(shí)，電源脈沖電流峰值具有理想的減小趨勢(shì)。這些規(guī)律在一定程度上指出了減小電源電流沖擊的措施。最后，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出一種確定霍爾推力器啟動(dòng)過程電源脈沖電流峰值最大值的方法，在霍爾推力器不點(diǎn)火的前提下，給定不同質(zhì)量流量下電源脈沖電流理論預(yù)測(cè)最大值，并推導(dǎo)得到電源脈沖電流峰值函數(shù)，為確?；魻柾屏ζ靼踩c(diǎn)火提供理論依據(jù)。

其中，根據(jù)電源脈沖電流峰值理論預(yù)測(cè)公式，進(jìn)一步研究了不同電感參數(shù)下電流峰值的理論預(yù)測(cè)邊界。試驗(yàn)結(jié)果表明：一方面，在相同濾波器參數(shù)下，霍爾推力器在啟動(dòng)過程中的電源脈沖電流峰值的預(yù)測(cè)值會(huì)隨著作電感的線圈匝數(shù)與磁環(huán)導(dǎo)磁截面積乘積減小而增加。也即是在相同電感值時(shí)，線圈匝數(shù)較多，導(dǎo)磁環(huán)較大的電感更有利于減小霍爾推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過程中電源脈沖電流的峰值。另一方面，磁芯飽和值越大，磁芯飽和時(shí)變化趨勢(shì)越小，其所對(duì)應(yīng)的電源脈沖電流峰值越小。與此，根據(jù)此變化趨勢(shì)初步判斷，制作電感的電感磁芯應(yīng)該選擇即磁芯飽和時(shí)B隨H變化慢的材料。

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(編輯：高珍)

Effect of circuit parameters on start-up transient current of Hall thrusters

DU Jianhua1,*,HU Junfeng2,YANG Ziyi2

1. Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100094, China 2. Institute of Advanced Power,Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China

Based on the analysis of the formation mechanism of the pulse current in the power supply side during the start-up transient, the relationship between the outer circuit parameters and the pulse current peek in the power supply side was studied by the analysis and experiments under varying parameters. Results show that the pulse current on the power supply side decreases with the increase of capacitance and inductance. Based on the deduced function of peak pulse current on the power supply side, the effects of capacitance and inductance on the power supply pulse current during a Hall thruster start-up transient was studied. The requirement of the turn, magnetic core sectional area, and the BH curve of selected inductor was discussed.This research can provide reference for the outer circuit parameter design in Hall thrusters.

Hall thruster;pulse current in the power supply side; start-up process; outer circuit parameters; inductance

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0045

2015-11-26；

2015-12-30；錄用日期：2016-05-11；

時(shí)間：2016-07-1213:26:39

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160712.1326.003.html

國家自然科學(xué)基金(51477035)

杜建華(1979-)，男，高級(jí)工程師，wonderful0579@126.com，主要研究方向?yàn)榭臻g數(shù)字電源、電推進(jìn)電源

V430

A

http:∥zgkj.cast.cn

引用格式：杜建華,胡俊鋒,楊子怡.回路參數(shù)對(duì)霍爾推力器點(diǎn)火脈沖電流影響[J].中國空間科學(xué)技術(shù), 2016,36(4)：

51-57.DUJH,HUJF,YANGZY.Effectofcircuitparametersonstart-uptransientcurrentofHallthrusters[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2016,36：(4)51-57(inChinese).