一种霍尔推力器启动瞬态过程中的电源电流峰值的预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航空航天的等离子推进领域。
【背景技术】
[0002] 霍尔推力器以高效率、高比冲和小推力等特点逐步成为卫星和探测器等航天飞行 器的重要动力装置。近些年航天事业的不断发展对霍尔推力器的性能提出更高要求。点火 启动过程作为霍尔推力器成功运行的第一步，影响整个推力系统的安全性。而在点火启动 过程中的电流脉冲不仅会影响电源的寿命，还与霍尔推力器能否点火成功密切相关。因此， 霍尔推力器点火启动瞬态过程中电流脉冲的测量一直是霍尔推力器的研宄热点。
[0003] 霍尔推力器在点火启动瞬态过程中，霍尔推力器的电源电路会出现一个电流脉 冲，电流脉冲持续时间约为几时微妙，该电流脉冲的电流峰值为正常电流数十倍。出于安全 性考虑，通常设定一个电源电路的电流过流保护值，一旦启动过程中的电流超过设定的过 流保护值，电源电路就会自动断电。因此，在点火启动过程中，电源电路中的电流峰值很有 可能会超过电流过流保护值，从而导致霍尔推力器不能成功点火。因此，对霍尔推力器启动 瞬态过程中的电源电流峰值的大小进行预测是非常必要的，而且目前该领域还没有启动过 程中电源电流峰值的相关预测方法，这将导致电源电流过流保护值存在不确定性，进而影 响霍尔推力器的可靠运行。
【发明内容】
[0004] 本发明为了解决目前的霍尔推力器在启动瞬态过程中的电源电流峰值无法预测 的问题，提出了一种霍尔推力器启动瞬态过程中的电源电流峰值的预测方法。
【主权项】
1. 一种霍尔推力器启动瞬态过程中的电源电流峰值的预测方法，其特征在于，该方法 中电源电流峰值Ip通过如下公式获得： 电源电流峰值为
所述电源 电流峰值Ip获取的具体步骤如下： 步骤一、根据霍尔推力器的点火电路及基尔霍夫电流定律可知，点火瞬间霍尔推力器 的电源电流峰值1"的表达式为：
其中，C为电容器电容值；du。为由放电电流脉冲引起的电容两端的电压降；Id(l表示霍 尔推力器稳定运行时的放电电流；dt为电容器瞬时充电时间； 步骤二、由于电容器瞬时充电时间dt很小，在dt时间内的电压降Au。等于瞬时变化 过程中由放电电流脉冲引起的电容两端的电压降du。;电容充电所需总时间At等于电容 器瞬时充电时间dt; 因此，（式一）写成
（式二）； 步骤三、由于IdQ<<Ip，故IdQ忽略不计，因此（式二）写成：
又由于电容充电所需总时间~ = ;其中Jr=3.14,L为电感值；在dt时间内 的电压降; %为氙原子电离电荷量；因此，（式三）写成：
步骤四、由于启动瞬态过程中氙原子电离电荷量％=e? ，其中e为氙气电子电荷 数；为氙原子的原子总数，因此，（式四）还表示为：
步骤五、又根据电感与电源电流峰值之间的关系L= ?a?S?Nb+2 ?lerT1"1 ?Ipb，将 其代入（式五），故（式五）写成：
其中，为真空磁导率；a和b均为拟合系数；S为电感磁路的横截面积；N为电感线 圈匝数；len为电感磁路长度； 步骤六、由于氙原子的原子总数
M其中，p(l)为点火前霍尔推力器的通 道内的压力；R为理想气体常数；T为点火前霍尔推力器通道内氙气原子温度；队为理想气 体的阿伏伽德罗常数；S。为霍尔推力器通道横截面积；1i表示霍尔推力器的通道的起始位 置的轴向坐标，通常11= 0 ;12表示霍尔推力器的通道出口位置的轴向坐标；dl表示积分变 量； 将其代入（式六）并进行变换得到电源电流峰值表达式：
步骤七、由（式七）可知，电源电流峰值Ip的大小与点火前霍尔推力器的通道内压力P(l)有关；因此，根据点火前霍尔推力器的通道内压力P(l)的大小即获得相应的电源电流 峰值Ip，即：
步骤八、根据步骤七获得的电源电流峰值15即为电源电流峰值的预测值。
2. 根据权利要求1所述的一种霍尔推力器启动瞬态过程中的电源电流峰值的预测方 法，其特征在于，步骤三中Id(1<<Ip的原因在于：霍尔推力器点火启动瞬态过程中，当电源 电流达到峰值时，霍尔推力器点火电路中的放电电流基本稳定，因此，Id(l<<Ip，计算时Id(l 忽略不计。
3. 根据权利要求1所述的一种霍尔推力器启动瞬态过程中的电源电流峰值的预测方 法，其特征在于，步骤三中所述力的获取方法如下：根据霍尔推力器的点火电路 可知，dt为电容器瞬时充电时间，且电容充电所需总时间At等于瞬时时间dt;RLC谐振电 路的谐振周期
?，又由于电容充电时间为谐振周期的四分之一，故
4. 根据权利要求1所述的一种霍尔推力器启动瞬态过程中的电源电流峰值的预测方 法，其特征在于，步骤五中所述L=y^ ?a?S?Nb+2 ?lerfH? 1，的获取过程如下： 根据霍尔推力器的点火电路可知： 伞=B?S(式五一）； B=y?H(式五二）； H?len=N?Ip (式五三）； 其中，巾为通过电感线圈的磁通量；B为感应磁场强度；S为电感磁路的横截面积；y为磁导率；H为磁场强度，N为电感线圈匝数，len为电感磁路长度，Ip为电源电流峰值；根 据电感的定义式：
将（式五一）、（式五二）和（式五三）代入公式（式五四），化简后得到： CN104612923A _权利要求书_ _3/3页
(式五五）； 又由于磁导率y和磁场强度H之间的关系为： y=a?y〇 ?Hb (式五六）； 其中，a和b均为拟合系数； 综合（式五五）和（式五六）得到：
（式五七）； 将（式五七）代入（式五五），得到霍尔推力器在点火启动瞬时过程中电感L的变化关 系式： L=y0.a.S.Nb+2 ?lerfb-1 ?Ipb〇
5.根据权利要求1所述的一种霍尔推力器启动瞬态过程中的电源电流峰值的预测方 法，其特征在于，所述霍尔推力器的通道内压力p(l)通过在真空环境下的压力测量装置测 得；所述压力测量装置包括电离规（1)、复合真空计（2)、步进电机（3)、支架⑷和玻璃管 (5)； 电离规（1)通过支架（4)固定在步进电机（3)上，玻璃管（5)用于连通电离规的工质 入口和霍尔推力器的通道；步进电机（3)用于带动电离规（1)在霍尔推力器的通道内来回 移动测量通道内的压力。
【专利摘要】一种霍尔推力器启动瞬态过程中的电源电流峰值的预测方法，涉及航空航天的等离子推进领域。本方法在霍尔推力器不点火的前提下，利用电离规或压力测量装置测量不同质量流量下通道内的压力值。结合压力值与霍尔推力器的点火电路中的各个参数之间的关系，从而推导得到电源电流峰值，从而确定了点火启动瞬态过程中电源电流峰值的大小，实现了对霍尔推力器在启动瞬态过程中的电源电流峰值的预测。本发明适用于霍尔推力器的电流峰值的预测。
【IPC分类】F03H1-00
【公开号】CN104612923
【申请号】CN201410728380
【发明人】魏立秋, 杨子怡, 韩亮, 于达仁
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年12月3日