專利名稱：一種實現霍爾推力器等離子體束聚焦的外回路控制裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及霍爾推力器等離子體束聚焦技術，具體涉及一種實現霍爾推力器等離 子體束聚焦的外回路控制裝置及方法。
背景技術：
霍爾推力器(HET)是電推進的一種，HET利用被電場加熱的電子電離惰性氣體工 質，電離產生的等離子體被電場加速噴出，形成高速定向等離子體射流，產生推力。因此，聚 焦后形成的高速定向等離子體射流可以提高推力，增大比沖，由于等離子體的定向平行于 軸向射出可以減少其與壁面的碰撞進而減小能量損失，降低壁面的腐蝕，延長推力器壽命。 因此，霍爾推力器等離子體束的聚焦具有十分重要的作用?，F有的霍爾推力器等離子體束聚焦的主要方法是設計磁場位形，通過磁場來約束 等離子體的運動，使其實現聚焦。而實際應用中，磁場位形的設計嚴重依賴于工質的種類、 工作條件，要達到所要求的聚焦效果需要十分復雜的計算及調節(jié)，而實際工作過程中調節(jié) 手段單一，可控性較差。

發(fā)明內容
為了解決現有的霍爾推力器等離子體束聚焦的實現方法計算、調節(jié)復雜，且可控 性較差的問題，本發(fā)明提供一種實現霍爾推力器等離子體束聚焦的外回路控制裝置及方 法。本發(fā)明的一種實現霍爾推力器等離子體束聚焦的外回路控制裝置，所述控制裝置 包括所述霍爾推力器的外部供電回路系統(tǒng)、示波器、可變電阻、可調電感和可調電容，所述 外部供電回路系統(tǒng)包括第一電源、第一線圈、第二電源、第二線圈、第三電源、第三線圈、第 四電源、第五電源、第一電阻、第二電阻和第三電阻，所述第一電源的兩個電源輸出端分別與第一線圈的兩端連接，所述第二電源的兩 個電源輸出端分別與第二線圈的兩端連接，所述第三電源的兩個電源輸出端分別與第三線 圈的兩端連接，所述第一線圈和第二線圈沿所述霍爾推力器的通道方向排列，且位于所述 通道的通道壁的外側，其中所述第二線圈位于靠近陰極的一側；所述第三線圈位于所述霍 爾推力器的通道的通道壁的外側，且與所述第二線圈相對；所述第四電源的一個電源輸出 端同時與可調電感的第一端和可變電阻的第一端連接，所述可調電感的第二端與所述霍爾 推力器的陽極連接，所述可變電阻的第二端與所述霍爾推力器的陽極連接，所述霍爾推理 器的陽極還與第三電阻的第一端和可調電容的第一端連接，所述第三電阻的第二端同時與 第二電阻的第一端和示波器的電壓測量端連接，所述第二電阻的第二端同時與第四電源的 另一個電源輸出端和所述示波器的公共端連接，所述示波器的公共端還與所述可調電容的 第二端和第一電阻的第一端連接，所述第一電阻的第二端同時與所述示波器的電流測量 端、第五電源的一個電源輸出端和霍爾推力器的陰極的一端連接，所述霍爾推力器的陰極的另一端與所述第五電源的另一個電源輸出端連接。本發(fā)明的一種實現霍爾推力器等離子體束聚焦的外回路控制方法，所述控制方法 是基于上述外回路控制裝置實現的，所述控制方法包括如下步驟步驟一啟動霍爾推力器，并將其調節(jié)至穩(wěn)定放電工作狀態(tài)；步驟二 啟動示波器，并調節(jié)其顯示比例和掃描時間；步驟三利用所述示波器監(jiān)測霍爾推力器內低頻振蕩信號，并調節(jié)可變電阻、可調 電感或可調電容，使得霍爾推力器內電壓與電流波動之間的相角差為180度，實現霍爾推 力器內等離子體束聚焦，即完成霍爾推力器內等離子體束聚焦的控制。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明提供了一種無需改變霍爾推力器穩(wěn)態(tài)輸入參數，而 僅通過調節(jié)外回路參數(可變電阻阻值、可調電容容值和可調電感的電感值)而實現等離 子體束聚焦的外回路控制裝置及方法，本發(fā)明實施過程簡單，操作性強，可控性好，可以有 效地實現霍爾推力器內等離子體束的聚焦。


圖1是本發(fā)明的一種實現霍爾推力器等離子體束聚焦的外回路控制裝置的結構 示意圖，圖2是本發(fā)明的一種實現霍爾推力器等離子體束聚焦的外回路控制方法的流程 圖，圖3是本發(fā)明的低頻振蕩信號較小時獲得的等離子體束聚焦的形狀示意圖，圖4是本發(fā) 明的低頻振蕩信號較大時獲得的等離子體束聚焦的形狀示意圖，圖5是本發(fā)明的可調電容 5的容值為0. 1 μ F時獲得的霍爾推力器1內羽流發(fā)散半角為11. 5°的羽流形態(tài)示意圖，其 中，曲線I表示較小低頻振蕩信號，曲線II表示電壓信號，圖6是本發(fā)明的可調電容5的容 值為1. OyF時獲得的霍爾推力器1內羽流發(fā)散半角為44.6°的羽流形態(tài)示意圖，其中，曲 線III表示較大低頻振蕩信號。
具體實施例方式具體實施方式
一根據說明書附圖1具體說明本實施方式，本實施方式所述的一 種實現霍爾推力器等離子體束聚焦的外回路控制裝置，所述控制裝置包括所述霍爾推力器 1的外部供電回路系統(tǒng)、示波器2、可變電阻3、可調電感4和可調電容5，所述外部供電回路 系統(tǒng)包括第一電源1-1、第一線圈1-11、第二電源1-2、第二線圈1-21、第三電源1-3、第三線 圈1-31、第四電源1-4、第五電源1-5、第一電阻R1、第二電阻R2和第三電阻R3，所述第一電源1-1的兩個電源輸出端分別與第一線圈1-11的兩端連接，所述第二 電源1-2的兩個電源輸出端分別與第二線圈1-21的兩端連接，所述第三電源1-3的兩個電 源輸出端分別與第三線圈1-31的兩端連接，所述第一線圈1-11和第二線圈1-21沿所述霍 爾推力器1的通道方向排列，且位于所述通道的通道壁的外側，其中所述第二線圈1-21位 于靠近陰極I-的一側；所述第三線圈1-31位于所述霍爾推力器1的通道的通道壁的外側， 且與所述第二線圈1-21相對；所述第四電源1-4的一個電源輸出端同時與可調電感4的第 一端和可變電阻3的第一端連接，所述可調電感4的第二端與所述霍爾推力器1的陽極1+ 連接，所述可變電阻3的第二端與所述霍爾推力器1的陽極1+連接，所述霍爾推理器1的 陽極1+還與第三電阻R3的第一端和可調電容5的第一端連接，所述第三電阻R3的第二端 同時與第二電阻R2的第一端和示波器2的電壓測量端連接，所述第二電阻R2的第二端同時與第四電源1-4的另一個電源輸出端和所述示波器2的公共端連接，所述示波器2的公 共端還與所述可調電容5的第二端和第一電阻Rl的第一端連接，所述第一電阻Rl的第二 端同時與所述示波器2的電流測量端、第五電源1-5的一個電源輸出端和霍爾推力器1的 陰極I-的一端連接，所述霍爾推力器的陰極I-的另一端與所述第五電源1-5的另一個電 源輸出端連接。本實施方式中，通過調節(jié)所述可變電阻3、可調電感4和可調電容5，實現低頻振 蕩，進而實現霍爾推力器中等離子體束聚焦。本實施方式中，利用上述外回路參數(可變電阻3、可調電感4和可調電容5)的調 節(jié)控制電離過程(主要是控制電離位置)，進而實現等離子體束的聚焦。本實施方式中，示波器2的型號為TDS2014。
具體實施方式
二根據說明書附圖2具體說明本實施方式，本實施方式是基于具 體實施方式一所述的外回路控制裝置的一種實現霍爾推力器等離子體束聚焦的外回路控 制方法，所述控制方法包括如下步驟步驟一啟動霍爾推力器1，并將其調節(jié)至穩(wěn)定放電工作狀態(tài)；步驟二 啟動示波器2，并調節(jié)其顯示比例和掃描時間；步驟三利用所述示波器2監(jiān)測霍爾推力器1內低頻振蕩信號，并調節(jié)可變電阻 3、可調電感4或可調電容5，使得霍爾推力器1內電壓與電流波動之間的相角差為180度， 實現霍爾推力器內等離子體束聚焦，即完成霍爾推力器1內等離子體束聚焦的控制。本實施方式中，通過調節(jié)可變電阻3、可調電阻4或可調電容5，使得霍爾推力器1 內電壓與電流波動之間的相角差為180度，進而可以減小所述霍爾推力器1內低頻振蕩信 號的幅值與其均值的比值到小于10%，實現霍爾推力器內等離子體束聚焦。
具體實施方式
三本實施方式是對具體實施方式
二的進一步說明，具體實施方式
二在步驟一中所述的霍爾推力器1的穩(wěn)定放電工作狀態(tài)為放電電壓為400V，陽極1+供氣 流量為3mg/s，磁場位形固定。
具體實施方式
四本實施方式是對具體實施方式
二或三的進一步說明，具體實施 方式二或三在步驟二中，調節(jié)示波器2的顯示比例為250μ s/格，掃描時間為2500μ S。
具體實施方式
五本實施方式是對具體實施方式
二、三或四的進一步說明，具體 實施方式二、三或四在步驟三中，調節(jié)可變電阻3的阻值至100 Ω，可調電容5的容值至 0. IyF,并調節(jié)可調電感4的電感值至200mH。
具體實施方式
六本實施方式是對具體實施方式
二、三或四的進一步說明，具體 實施方式二、三或四在步驟三中，調節(jié)可變電阻3的阻值至100 Ω，可調電感4的電感值至 35mH,并調節(jié)可調電容5的容值至2. 0 μ F。
具體實施方式
七本實施方式是對具體實施方式
二、三或四的進一步說明，具體實 施方式二、三或四在步驟三中，調節(jié)可調電容5的容值至2. 0 μ F，可調電感4的電感值至 35mH,并調節(jié)可變電阻3的阻值至1000 Ω。本實施方式中，根據圖3、圖4、圖5和圖6可以看出，隨著低頻放電振蕩的增力卩，霍 爾推力器1等離子體束聚焦程度變差，羽流發(fā)散半角增大。本實施方式中的低頻振蕩信號的頻率為20-30ΚΗΖ。本實施方式的基本思想是在 已經確定的磁場位形、供氣流量、放電電壓等穩(wěn)態(tài)參數的前提下，監(jiān)測霍爾推力器1內低頻振蕩(低頻振蕩是電離過程的一種重要表現，在一定程度上可以反映電離過程)，在此基礎 上，調節(jié)霍爾推力器1外回路參數(可變電阻3、可調電感4和可調電容5)改變霍爾推力 器1上電流和電壓的相位關系，使其盡可能接近反相位(理想狀態(tài)為完全反相位)進而減 小電流的波動，穩(wěn)定霍爾推力器1通道內工質電離的過程，控制霍爾推力器1內等離子體產 生的位置，使其集中在磁透鏡的焦點上，從而實現在已有的給定磁場位形下的等離子體束 聚焦和平直射流。
權利要求
一種實現霍爾推力器等離子體束聚焦的外回路控制裝置，其特征在于所述控制裝置包括所述霍爾推力器(1)的外部供電回路系統(tǒng)、示波器(2)、可變電阻(3)、可調電感(4)和可調電容(5)，所述外部供電回路系統(tǒng)包括第一電源(1 1)、第一線圈(1 11)、第二電源(1 2)、第二線圈(1 21)、第三電源(1 3)、第三線圈(1 31)、第四電源(1 4)、第五電源(1 5)、第一電阻(R1)、第二電阻(R2)和第三電阻(R3)，所述第一電源(1 1)的兩個電源輸出端分別與第一線圈(1 11)的兩端連接，所述第二電源(1 2)的兩個電源輸出端分別與第二線圈(1 21)的兩端連接，所述第三電源(1 3)的兩個電源輸出端分別與第三線圈(1 31)的兩端連接，所述第一線圈(1 11)和第二線圈(1 21)沿所述霍爾推力器(1)的通道方向排列，且位于所述通道的通道壁的外側，其中所述第二線圈(1 21)位于靠近陰極(I )的一側；所述第三線圈(1 31)位于所述霍爾推力器(1)的通道的通道壁的外側，且與所述第二線圈(1 21)相對；所述第四電源(1 4)的一個電源輸出端同時與可調電感(4)的第一端和可變電阻(3)的第一端連接，所述可調電感(4)的第二端與所述霍爾推力器(1)的陽極(I+)連接，所述可變電阻(3)的第二端與所述霍爾推力器(1)的陽極(I+)連接，所述霍爾推理器(1)的陽極(I+)還與第三電阻(R3)的第一端和可調電容(5)的第一端連接，所述第三電阻(R3)的第二端同時與第二電阻(R2)的第一端和示波器(2)的電壓測量端連接，所述第二電阻(R2)的第二端同時與第四電源(1 4)的另一個電源輸出端和所述示波器(2)的公共端連接，所述示波器(2)的公共端還與所述可調電容(5)的第二端和第一電阻(R1)的第一端連接，所述第一電阻(R1)的第二端同時與所述示波器(2)的電流測量端、第五電源(1 5)的一個電源輸出端和霍爾推力器(1)的陰極(I )的一端連接，所述霍爾推力器的陰極(I )的另一端與所述第五電源(1 5)的另一個電源輸出端連接。
2.基于權利要求1所述的外回路控制裝置的一種實現霍爾推力器等離子體束聚焦的 外回路控制方法，其特征在于所述控制方法包括如下步驟步驟一啟動霍爾推力器(1)，并將其調節(jié)至穩(wěn)定放電工作狀態(tài)；步驟二 啟動示波器(2)，并調節(jié)其顯示比例和掃描時間；步驟三利用所述示波器(2)監(jiān)測霍爾推力器(1)內低頻振蕩信號，并調節(jié)可變電阻 (3)、可調電感(4)或可調電容(5)，使得霍爾推力器⑴內電壓與電流波動之間的相角差為 180度，實現霍爾推力器內等離子體束聚焦，即完成霍爾推力器(1)內等離子體束聚焦的控 制。
3.根據權利要求2所述的一種實現霍爾推力器等離子體束聚焦的外回路控制方法，其 特征在于在步驟一中所述的霍爾推力器(1)的穩(wěn)定放電工作狀態(tài)為放電電壓為400V，陽 極(1+)供氣流量為3mg/s，磁場位形固定。
4.根據權利要求3所述的一種實現霍爾推力器等離子體束聚焦的外回路控制方法，其 特征在于在步驟二中，調節(jié)示波器(2)的顯示比例為250μ s/格，掃描時間為2500μ S。
5.根據權利要求3或4所述的一種實現霍爾推力器等離子體束聚焦的外回路控制 方法，其特征在于在步驟三中，調節(jié)可變電阻(3)的阻值至100Ω，可調電容(5)的容值至 0. IyF,并調節(jié)可調電感⑷的電感值至200mH。
6.根據權利要求3或4所述的一種實現霍爾推力器等離子體束聚焦的外回路控制方 法，其特征在于在步驟三中，調節(jié)可變電阻(3)的阻值至100Ω，可調電感(4)的電感值至35mH，并調節(jié)可調電容(5)的容值至2. 0 μ F。
7.根據權利要求3或4所述的一種實現霍爾推力器等離子體束聚焦的外回路控制方 法，其特征在于在步驟三中，調節(jié)可調電容(5)的容值至2.0 μ F，可調電感(4)的電感值至 35mH，并調節(jié)可變電阻(3)的阻值至1000 Ω。
全文摘要
一種實現霍爾推力器等離子體束聚焦的外回路控制裝置及方法，它涉及霍爾推力器等離子體束聚焦技術。它解決了現有的霍爾推力器等離子體束聚焦的實現方法計算、調節(jié)復雜，且可控性較差的問題，本發(fā)明的裝置包括外部供電回路系統(tǒng)、示波器、可變電阻、可調電感和可調電容；本發(fā)明的方法包括首先啟動霍爾推力器，并將其調節(jié)至穩(wěn)定放電工作狀態(tài)；然后啟動示波器，并調節(jié)其顯示比例和掃描時間，使示波器上能夠顯示出清晰的低頻振蕩信號；最后調節(jié)可變電阻、可調電感和可調電容的大小，使霍爾推力器內電壓與電流波動之間的相角差為180°，實現霍爾推力器內等離子體束聚焦，完成霍爾推力器內等離子體束聚焦的控制。本發(fā)明適用于霍爾推力器等離子體束聚焦。
文檔編號H05H1/10GK101969737SQ201010264438
公開日2011年2月9日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權日2010年8月27日
發(fā)明者于達仁, 劉維維, 寧中喜, 王春生 申請人:哈爾濱工業(yè)大學