本站原创摘 要 ： 在稳态等离子发动机（Stationary Plaa Thruster,简称SPT）工作过程中存在频率范围为1-100kHz的低频振荡,振荡幅值较大,对SPT性能有明显的不良影响,强的低频振荡甚至会导致发动机熄火,因此减轻放电振荡坏的影响是很有必要的.本文仅针对最简单的滤波器――电感滤波器,通过实验与仿真研究发现了电感补偿对振荡影响的规律：随着电感增大电流振荡降低而电压振荡增加,且电流振荡变化存在一个60～90mH的突变区间,又观察了振荡与相位差和频率的关系,随着电感增大振荡频率降低而电流与电压的相位差增大.以上规律在以往的参考文献中从来没有详细阐述过.
Abstract： There is low frequency oscillation with frequency range of 1-100 kHz in the working process of stationary plaa thruster （SPT）, the oscillation amplitude is big and it is bad for the performance of SPT. The strong low frequency oscillation even generates flameout of the thruster. So, it is necessary to reduce the bad influence of discharge oscillation. Aimed at inductor filter which is the easiest filter, through the experiments and simulation researches, this paper finds the influence rule of the inductance pensation on the oscillation： the voltage oscillation increases with the increase of inductance and decrease of current oscillations, and there is a mutation area of 60～90mH in the current oscillation changes. This paper also observes the relationships between oscillation and phase difference, the phase difference of current and voltage increases with the increase of inductance and the decrease of oscillation frequency. The above rules he never expounded in detail in the past references.
关 键 词 ： 等离子发动机,低频振荡,放电回路,实验研究,仿真
Key words： plaa thruster,low frequency oscillation,discharge circuit,experiment research,simulation
中图分类号：U263.13 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）04-0030-03
0 引言
稳态等离子体发动机具有高比冲、高效率的特点,在卫星的位置保持和姿态控制中得到了广泛应用.几十kHz的低频振荡现象是其在正常工况下最明显的振荡模式.振荡中回路电流变化几安培,电压随之变化几十伏,会对航天器的电源产生不良影响,并且可能影响发动机的效率和比冲,甚至会导致发动机熄火.
国际上许多SPT研究单位都对SPT的低频振荡开展了实验和数值模拟研究[1,2,3].从实验的角度,在文献[2]、[3]中对几种典型的振荡现象进行了系统的论述,并将影响低频振荡的因素归纳为滤波单元、工质流量和种类、放电电压、阴极流量和位置、壁面污染、磁场这样几个因素.在建模方面,Boeuf 和Garrigues建立了瞬态的一维准中性混杂模型,分别计算了电子电流和离子电流的振荡[1,2].但是对于滤波单元如何有效地压制振荡等相关工作却一直没有深入的研究并从未公开发表在文献中.
本文利用实验与仿真相结合的办法,通过对实验数据的统计,发现随着回路电感增加电流振荡降低,电压振荡升高,变化过程中存在一个突变区间,并且频率和相位差的变化也与振荡相对应.以文献[6]中的模型进行仿真得到的结果与实验吻合得很好.这种减小振荡的方式及规律是值得予以重视的.
1.实验研究及结果
1.1 实验设备 实验采用发动机为ATON型等离子体发动机,采用的测量电路原理图如图1所示,其中,放电回路采样电阻为0.1Ω,励磁回路采样电阻也为0.1Ω.信号由泰克公司的TDS2014-100M示波器采集,本实验采用两个示波器以减小测量误差,每个示波器的两个通道分别是通道1测量放电电流,通道2测量发电电压,而放电电流的测量是通过引入采样电阻测其两端电压转化为电流. 而在做实验中,改变电感值从0～140mH不等,保持励磁电流、阳极流量等其它参数不变,示波器在每个电感值时记录50μs振荡数据.
1.2 实验结果及数据分析 为了分析放电回路中电感对振荡的影响,首先对不同电感下放电电流及电压进行了测量,并利用matlab对其进行小波分析画出了均值及振荡图,相位差及频率图,处理结果见图4～6.
由分析可知随着电感值的增大,放电电流及电压均值基本不变,而放电电流和电压振荡的均方根并不是随着电感线性的变化而变化,而是存在一个60～90mH的突变区间,在这个区间前后振荡变化很小,且大电感可以明显地降低电流振荡,但是增大了电压振荡,电压与电流的相位差随着电感增加由70度增大到170度左右,频率由28kHz降低到14kHz,由图6看出,它们的变化也存在同振荡一样的突变区间.
2.仿真研究及结果
2.1 模型的建立 应用研究所现有的半离散化的一维流体模型进行仿真[4],该模型根据SPT本身的物理结构和工作原理,结合SPT实验中的经验,做了如下的检测设：
2.2 仿真结果
在对仿真结果的分析中可以看到,随着电感的增大,放电电流和放电电压均值基本不变,电流振荡均方根值随电感增大而降低,相位差随电感增大而增大,频率随电感的增大而降低.以上都和试验结果符合的较好,虽然没有明显的突变区间,但是定性一致,该仿真模型对放电过程所作的近似使得它只能够对SPT进行定性上的机理研究,不具备定量化计算能力,唯一不同的是：试验中电压振荡均方根值随电感的增大而增大,而仿真中是先增大后降低.
现在还很难解释这些规律所对应的放电通道内的物理过程.但是我们仍可以从这些现象中得到一些启示：小的电流振荡对应着较大的相位差和较低的振荡频率,而振荡频率仅与原子速度有关,在原子速度基本不变的条件下,频率的降低一定是由电离区向出口位置移动导致原子移动距离增大造成的.相位差的增大是和电感变化相关的,因此我们可以从电离区位置前移与相位差增大之间的联系来找到解释以上规律的物理过程.
3.结论
本文通过实验研究了等离子发动机回路电感对振荡的影响,得出了随着电感增大电流振荡、振荡频率降低而电压振荡、电流与电压相位差增加,且振荡变化存在一个60～90mH的突变区间的结论.又通过半离散化的一维流体模型进行了仿真,仿真结果与试验符合得较好,证明了所得结论定性正确.