一種霍爾推力器啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中的電源電流峰值的預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航空航天的等離子推進(jìn)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 霍爾推力器以高效率、高比沖和小推力等特點(diǎn)逐步成為衛(wèi)星和探測(cè)器等航天飛行 器的重要?jiǎng)恿ρb置。近些年航天事業(yè)的不斷發(fā)展對(duì)霍爾推力器的性能提出更高要求。點(diǎn)火 啟動(dòng)過(guò)程作為霍爾推力器成功運(yùn)行的第一步，影響整個(gè)推力系統(tǒng)的安全性。而在點(diǎn)火啟動(dòng) 過(guò)程中的電流脈沖不僅會(huì)影響電源的壽命，還與霍爾推力器能否點(diǎn)火成功密切相關(guān)。因此， 霍爾推力器點(diǎn)火啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中電流脈沖的測(cè)量一直是霍爾推力器的研宄熱點(diǎn)。
[0003] 霍爾推力器在點(diǎn)火啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中，霍爾推力器的電源電路會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電流脈 沖，電流脈沖持續(xù)時(shí)間約為幾時(shí)微妙，該電流脈沖的電流峰值為正常電流數(shù)十倍。出于安全 性考慮，通常設(shè)定一個(gè)電源電路的電流過(guò)流保護(hù)值，一旦啟動(dòng)過(guò)程中的電流超過(guò)設(shè)定的過(guò) 流保護(hù)值，電源電路就會(huì)自動(dòng)斷電。因此，在點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中，電源電路中的電流峰值很有 可能會(huì)超過(guò)電流過(guò)流保護(hù)值，從而導(dǎo)致霍爾推力器不能成功點(diǎn)火。因此，對(duì)霍爾推力器啟動(dòng) 瞬態(tài)過(guò)程中的電源電流峰值的大小進(jìn)行預(yù)測(cè)是非常必要的，而且目前該領(lǐng)域還沒(méi)有啟動(dòng)過(guò) 程中電源電流峰值的相關(guān)預(yù)測(cè)方法，這將導(dǎo)致電源電流過(guò)流保護(hù)值存在不確定性，進(jìn)而影 響霍爾推力器的可靠運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決目前的霍爾推力器在啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中的電源電流峰值無(wú)法預(yù)測(cè) 的問(wèn)題，提出了一種霍爾推力器啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中的電源電流峰值的預(yù)測(cè)方法。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種霍爾推力器啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中的電源電流峰值的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，該方法 中電源電流峰值Ip通過(guò)如下公式獲得： 電源電流峰值為
所述電源 電流峰值Ip獲取的具體步驟如下： 步驟一、根據(jù)霍爾推力器的點(diǎn)火電路及基爾霍夫電流定律可知，點(diǎn)火瞬間霍爾推力器 的電源電流峰值1"的表達(dá)式為：
其中，C為電容器電容值；du。為由放電電流脈沖引起的電容兩端的電壓降；Id(l表示霍 爾推力器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的放電電流；dt為電容器瞬時(shí)充電時(shí)間； 步驟二、由于電容器瞬時(shí)充電時(shí)間dt很小，在dt時(shí)間內(nèi)的電壓降A(chǔ)u。等于瞬時(shí)變化 過(guò)程中由放電電流脈沖引起的電容兩端的電壓降du。;電容充電所需總時(shí)間At等于電容 器瞬時(shí)充電時(shí)間dt; 因此，（式一）寫(xiě)成
（式二）； 步驟三、由于IdQ<<Ip，故IdQ忽略不計(jì)，因此（式二）寫(xiě)成：
又由于電容充電所需總時(shí)間~ = ;其中Jr=3.14,L為電感值；在dt時(shí)間內(nèi) 的電壓降; %為氙原子電離電荷量；因此，（式三）寫(xiě)成：
步驟四、由于啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中氙原子電離電荷量％=e? ，其中e為氙氣電子電荷 數(shù)；為氙原子的原子總數(shù)，因此，（式四）還表示為：
步驟五、又根據(jù)電感與電源電流峰值之間的關(guān)系L= ?a?S?Nb+2 ?lerT1"1 ?Ipb，將 其代入（式五），故（式五）寫(xiě)成：
其中，為真空磁導(dǎo)率；a和b均為擬合系數(shù)；S為電感磁路的橫截面積；N為電感線 圈匝數(shù)；len為電感磁路長(zhǎng)度； 步驟六、由于氙原子的原子總數(shù)
M其中，p(l)為點(diǎn)火前霍爾推力器的通 道內(nèi)的壓力；R為理想氣體常數(shù)；T為點(diǎn)火前霍爾推力器通道內(nèi)氙氣原子溫度；隊(duì)為理想氣 體的阿伏伽德羅常數(shù)；S。為霍爾推力器通道橫截面積；1i表示霍爾推力器的通道的起始位 置的軸向坐標(biāo)，通常11= 0 ;12表示霍爾推力器的通道出口位置的軸向坐標(biāo)；dl表示積分變 量； 將其代入（式六）并進(jìn)行變換得到電源電流峰值表達(dá)式：
步驟七、由（式七）可知，電源電流峰值Ip的大小與點(diǎn)火前霍爾推力器的通道內(nèi)壓力P(l)有關(guān)；因此，根據(jù)點(diǎn)火前霍爾推力器的通道內(nèi)壓力P(l)的大小即獲得相應(yīng)的電源電流 峰值Ip，即：
步驟八、根據(jù)步驟七獲得的電源電流峰值15即為電源電流峰值的預(yù)測(cè)值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種霍爾推力器啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中的電源電流峰值的預(yù)測(cè)方 法，其特征在于，步驟三中Id(1<<Ip的原因在于：霍爾推力器點(diǎn)火啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中，當(dāng)電源 電流達(dá)到峰值時(shí)，霍爾推力器點(diǎn)火電路中的放電電流基本穩(wěn)定，因此，Id(l<<Ip，計(jì)算時(shí)Id(l 忽略不計(jì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種霍爾推力器啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中的電源電流峰值的預(yù)測(cè)方 法，其特征在于，步驟三中所述力的獲取方法如下：根據(jù)霍爾推力器的點(diǎn)火電路 可知，dt為電容器瞬時(shí)充電時(shí)間，且電容充電所需總時(shí)間At等于瞬時(shí)時(shí)間dt;RLC諧振電 路的諧振周期
?，又由于電容充電時(shí)間為諧振周期的四分之一，故
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種霍爾推力器啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中的電源電流峰值的預(yù)測(cè)方 法，其特征在于，步驟五中所述L=y^ ?a?S?Nb+2 ?lerfH? 1，的獲取過(guò)程如下： 根據(jù)霍爾推力器的點(diǎn)火電路可知： 傘=B?S(式五一）； B=y?H(式五二）； H?len=N?Ip (式五三）； 其中，巾為通過(guò)電感線圈的磁通量；B為感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度；S為電感磁路的橫截面積；y為磁導(dǎo)率；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，N為電感線圈匝數(shù)，len為電感磁路長(zhǎng)度，Ip為電源電流峰值；根 據(jù)電感的定義式：
將（式五一）、（式五二）和（式五三）代入公式（式五四），化簡(jiǎn)后得到： CN104612923A _權(quán)利要求書(shū)_ _3/3頁(yè)
(式五五）； 又由于磁導(dǎo)率y和磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系為： y=a?y〇 ?Hb (式五六）； 其中，a和b均為擬合系數(shù)； 綜合（式五五）和（式五六）得到：
（式五七）； 將（式五七）代入（式五五），得到霍爾推力器在點(diǎn)火啟動(dòng)瞬時(shí)過(guò)程中電感L的變化關(guān) 系式： L=y0.a.S.Nb+2 ?lerfb-1 ?Ipb〇
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種霍爾推力器啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中的電源電流峰值的預(yù)測(cè)方 法，其特征在于，所述霍爾推力器的通道內(nèi)壓力p(l)通過(guò)在真空環(huán)境下的壓力測(cè)量裝置測(cè) 得；所述壓力測(cè)量裝置包括電離規(guī)（1)、復(fù)合真空計(jì)（2)、步進(jìn)電機(jī)（3)、支架⑷和玻璃管 (5)； 電離規(guī)（1)通過(guò)支架（4)固定在步進(jìn)電機(jī)（3)上，玻璃管（5)用于連通電離規(guī)的工質(zhì) 入口和霍爾推力器的通道；步進(jìn)電機(jī)（3)用于帶動(dòng)電離規(guī)（1)在霍爾推力器的通道內(nèi)來(lái)回 移動(dòng)測(cè)量通道內(nèi)的壓力。
【專利摘要】一種霍爾推力器啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中的電源電流峰值的預(yù)測(cè)方法，涉及航空航天的等離子推進(jìn)領(lǐng)域。本方法在霍爾推力器不點(diǎn)火的前提下，利用電離規(guī)或壓力測(cè)量裝置測(cè)量不同質(zhì)量流量下通道內(nèi)的壓力值。結(jié)合壓力值與霍爾推力器的點(diǎn)火電路中的各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，從而推導(dǎo)得到電源電流峰值，從而確定了點(diǎn)火啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中電源電流峰值的大小，實(shí)現(xiàn)了對(duì)霍爾推力器在啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中的電源電流峰值的預(yù)測(cè)。本發(fā)明適用于霍爾推力器的電流峰值的預(yù)測(cè)。
【IPC分類】F03H1-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104612923
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410728380
【發(fā)明人】魏立秋, 楊子怡, 韓亮, 于達(dá)仁
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2014年12月3日