胡俊锋,刘辉,李建置,孙强强

哈尔滨工业大学先进动力研究所,哈尔滨150001

会切磁场推力器低频振荡特性

胡俊锋,刘辉*,李建置,孙强强

哈尔滨工业大学先进动力研究所,哈尔滨150001

针对会切磁场推力器的低频振荡特性,将推力器的工作模式分为高电流模式和低电流模式,在此基础上研究了低频振荡随工作参数和磁场位形的变化特性,并针对推力系统外回路对低频振荡的影响进行了研究。结果表明,在高质量流量下,随着放电电压的增加,会切磁场推力器的工作模式从高电流模式转换为低电流模式。在高电流模式下,放电电流具有高振幅、低频率的特征,羽流比较模糊,并且电流振荡幅值随着放电电压增大呈先增大后降低的趋势,而对应的振荡频率随着放电电压的增大而增大。在低电流模式下,放电电流具有低振幅、高频率的特征,羽流有两条明显的亮线,并且电流振荡幅值和频率均随放电电压的增大而增大。在不同工况下,随着质量流量增大,放电电流振荡幅值和频率均呈现增大的趋势。研究还发现,外回路中的电阻和电感对低频振荡起到一定的抑制作用,而电容对低频振荡的影响并不明显。

会切磁场推力器;低频振荡;高电流模式;低电流模式;工作参数;外回路

会切磁场推力器是目前在霍尔推力器的基础上发展起来的一种新型推力系统,以其本身的比冲高、寿命长、结构紧凑等优点,在国际上得到了越来越多的发展与应用。德国TEDG公司首先提出了高效多级等离子推力器(HEMPT)的设计理念[1],并在1998年申请了第一项HEMPT专利[2]。2003年Kornfeld发表了第一篇关于HEMPT的试验报告,阐述了其低溅射侵蚀和较宽的推力范围等特点[3]。由于HEMPT的性能表现,麻省理工学院研究人员在HEMPT的基础上,设计出发散会切磁场推力器[4],斯坦福大学研制出圆柱形会切磁场推力器[5]。2005年, TEDG公司开始研究HEMPT3050[6]和HEMPT30250[7],其比冲在30 000 m/s左右,额定功率分别为1 500 W和7 500 W,额定推力分别为50 m N和250 m N。TEDG公司历经十多年的研究,经过方案验证、原理样机和工程样机等阶段,HEMPT已经被确立为欧洲航天局的新一代的航天动力装置[8]。

在实际研究中发现,会切磁场推力器在工作过程中广泛存在低频振荡现象,其振荡频率在1～100 k Hz之间,且振荡幅值相对较大[9]。低频振荡是推力器不稳定的工作状态,反映了电离过程的不稳定性[10]。低频振荡不仅对推力器的电源系统产生冲击,还直接影响推力器的性能和使用寿命[11],振荡严重时能够导致推力器熄火。

2008年,麻省理工学院的Courtney等利用多栅探针测量的方法对多级会切磁场推力器(DCFT)性能及工作模式进行了研究[12]。 2009年,Gildea等在有关多级会切磁场推力器的低频振荡研究中,指出了推力器在两种不同模式下低频振荡的区别。多级会切磁场推力器在高电流模式下,最低的谐波频谱在3.5～4.0 k Hz之间,在低电流模式下,并没有呈现出和高电流模式下相同的振荡形式,振荡幅度被减弱了几个数量级[13]。随后,Gildea等利用多级会切磁场推力器进行了更深入的低频振荡研究,发现推力器在高电流低电压模式下,其放电电流振荡频率在3.5 k Hz左右[14]。2013年,麻省理工学院的Matlock在对多级会切磁场推力器进一步研究中发现,在高电压、高流量工况下,往往会出现低电流模式;在低电压、低流量工况下,往往会出现高电流模式[15]。2014年,Macdonald等利用激光诱导荧光的方法对多级会切磁场推力器的工作模式进行了试验研究[16]。

本文主要采用试验方法,分析工作参数和磁场位形对会切磁场推力器低频振荡的影响,同时研究了外回路对推力器低频振荡的抑制作用,以提高多级会切磁场推力器的整体性能和稳定性。

1 试验系统

由于多级会切磁场推力器是工作在外太空的推力器,其正常工作对真空度要求很高,所以在地面试验中,为了达到所需的真空度要求需要专门的真空系统。试验罐是多级会切磁场推力器试验的基本平台,本文试验系统的真空罐直径为1.2 m,长为4 m,极限真空度可以达到2×10-3Pa。试验样机为会切磁场推力器,推力器外径为58 mm,通道最小内径为20 mm,渐扩出口区的内径为43 mm,通道总长为64 mm,磁场由多块永磁铁形成,试验中的推力器磁极长度比分别为:8∶16∶40∶0。推力器的阴极采用空心阴极,其位置位于推力器出口处上方20～30 mm。其中,试验过程采用的工质气体均为氙气。

试验过程中,采用DL850录波仪采集低频振荡的振荡波形以及放电电流的数据,在分析多级会切磁场推力器的低频振荡特性时,利用MATLAB软件中傅里叶转换提取其主导频率。

2 试验结果及分析

针对不同放电电压、阳极质量流量以及磁场位形,采用控制变量法进行了多组对比试验。同时也研究了外回路对低频振荡的影响。从放电电流均值、电流振荡幅值和振荡频率等角度对低频振荡进行描述,根据试验结果,分析总结了会切磁场推力器低频振荡随各参数的变化规律。

2.1 放电电压对低频振荡的影响规律

试验过程中,确定其中一个推力器磁场位形,其磁极长度比分别为8∶16∶40∶0,并保持阴极供气质量流量为0.5 mg/s,阴极电流为1.5 A,同时阳极的质量流量定为10 m L/min,然后将放电电压从150 V,以步距50 V逐渐增加到1000 V,工质气体均为氙气。在每一放电电压下,利用录波仪记录一次放电电流变化情况。对试验数据处理后的结果如图1～图3所示。

图1 放电电压对电流均值的影响Fig.1 Effect of discharge voltage on mean current

图2 放电电压对电流振荡的影响Fig.2 Effect of discharge voltage on current oscillation

图3 放电电压对电流振荡主导频率的影响Fig.3 Effect of discharge voltage on the dominant frequency of current oscillation

从图1和图2可以看出,放电电压对电流的影响并不是单调的。放电电流均值在电压300 V的情况下达到最大值,而且此时,低频振荡幅值比较大,推力器处在高电流模式,对应的羽流区及通道内状态如图4所示。试验过程中观察到的羽流区有较高频率的闪烁现象,而且亮度较高,但羽流较模糊,可以明显地观察到通道内出现较粗的明亮光柱,说明该区域为主要的电离区。而靠近阳极区的光柱明显比较细,这是由于阳极区的磁场强度较强,对电子的束缚比较大,从而削弱了电离程度。

以300 V作为参考点,减小放电电压,低频振荡幅值减小,放电电流减小;增大放电电压,低频振荡幅值总体上逐渐降低,在电压为350～450 V时,多级会切磁场推力器工作模式发生转换,从高电流模式转换到低电流模式。在低电流模式下,对应的羽流区及通道内状态如图5所示,推力器羽流由之前的模糊混沌状态转变为清晰并且具有两条明显的亮线,振荡幅度降低,通道内的光柱变得更加细小。在放电电压为450 V时,其振荡幅值达到最小值,随后又缓慢上升到一定程度而保持不变。同样,放电电流在电压为450 V时达到最小值,而后随着电压增加缓慢上升在一定程度后基本保持稳定。

图5 高电压情况下的低电流模式Fig.5 Low current mode in high voltage

在阳极质量流量保持为10 m L/min的情况下,当电压大于600 V时,可以很明显地看出推力器放电电流和振荡幅值都不再增加,基本保持稳定。此现象产生的原因是,由于质量流量是给定的,当放电电压增大到一定程度后,原子电离达到了饱和状态,即原子电离产生的离子和电子达到最大值。因此,由离子电流和电子电流叠加形成的放电电流也达到了最大值。

从图3可以看出,在150～450 V的放电电压情况下,低频振荡的主导频率基本保持不变,在1.4～2.5 k Hz区间小幅度波动,但有一定程度的上升趋势。然而在450 V以后,主导频率随着放电电压的增大,从2.0 k Hz较迅速地上升到35 k Hz。

从各模式下推力器放电通道内光柱的分布来看,通道内电离区主要集中在轴线附近,径向范围相对较小。推力器在高电流模式下,具有高平均电流、高振荡幅值和低振荡频率的特点。在此模式下,由于对应的放电电压较低,电子能量不高,大部分电子被磁场束缚,沿着磁力线做螺旋运动。当电子堆积,并且工质原子密度也在此积累达到一定程度,便会瞬间产生雪崩效应,产生大量的离子和电子,从而形成较大的电流。同时原先被束缚在磁尖端的电子也可以通过与原子的碰撞而增加了脱离磁场约束的几率,进而向通道内运动形成电流。

随着电压进一步增大,电子能量增加,所以有部分电子脱离了磁场束缚,而直接沿着轴线达到阳极,以至于与工质原子碰撞的几率降低,电离率减小,新产生的离子和电子密度下降,导致放电电流降低,光柱变细并集中在轴线附近,即低电流模式。

2.2 质量流量对低频振荡的影响规律

在不同放电电压下,考察阳极质量流量对低频振荡的影响规律。其中放电电压值选取为250 V、400 V、500 V和650 V,在每一个电压下,改变阳极质量流量,分别取3,5,8, 10 m L/min。每一工况下,利用录波仪记录电流变化情况。试验结果显示,推力器在一定的放电电压下,随着阳极流量的增加,放电电流的低频振荡会按照一定的规律发生变化,其试验结果如图6和图7所示。

图6 不同放电电压下质量流量对电流均值的影响Fig.6 Effect of mass flow rate on mean current in various discharge voltages

图7 不同放电电压下质量流量对电流振荡的影响Fig.7 Effect of mass flow rate on current oscillation in various discharge voltages

图8 不同磁场位形下放电电压对电流均值的影响Fig.8 Effect of discharge voltage on mean current in various magnetic field configurations

图9 不同磁场位形下放电电压对电流振荡的影响Fig.9 Effect of discharge voltage on current oscillation in various magnetic field configurations

从图6可以看出,阳极流量增加,平均放电电流也随着增加。在低流量情况下,放电电压增加后,平均放电电流有所增加,而在高流量情况下,随着电压升高,放电电流有一定程度的降低。这是由于在高质量流量情况下,推力器高电压时的工作模式为低电流模式,所以电流平均值相对较低。

从图7可以得出,随着质量流量的增大,放电电流的振荡幅值总体增大。在低流量情况下,不同电压下的振荡幅值差别不大;在高流量情况下,随着电压升高,电流的低频振荡明显降低。结合上面的分析,不难发现,在高流量工况下,推力器低电压时处于高电流模式,相应的电流振荡较大。

2.3 磁场位形对低频振荡的影响规律

磁场是通过影响推力器通道内的等离子体而影响低频振荡的。多级会切磁场推力器的磁场是由各级永磁铁组合产生的,并不能像霍尔推力器通过改变励磁线圈的电流连续调节磁场强度,所以根据多级会切磁场推力器的结构特点,通过改变各级磁极长度来实现调节推力器磁场强度的效果。

为了研究磁场位形对低频振荡的影响,设计了3种磁场位形,分别为磁场位形1、磁场位形2和磁场位形3。其中磁场位形2和磁场位形3是在磁场位形1的基础上改进的。3种磁场位形的最大磁感应强度均为0.5 T,不同的是,磁场位形2出口处磁场强度下降较快,而磁场位形3的近阳极区磁场强度最大。

试验过程中,保持阴极供气质量流量为5 m L/min,阴极电流为1.5 A。同时阳极质量流量为10 m L/min。在每确定一种磁场位形下,通过改变放电电压来记录对应的电流变化情况,其中电压变化范围为150～500 V,步距为50 V,3种磁场位形下的试验结果如图8和图9所示。

试验结果显示,3种磁场位形都发生了工作模式转换。磁场位形1在电压为400 V工况时,放电电流均值达到最大值,对应的振荡幅值也达到最大值,此时推力器工作模式为高电流模式,在电压高于400 V时电流振荡降低,直至保持不变,工作模式转换为低电流模式,而此时的电流均值也相应减小而后基本不变。磁场位形2在300～350 V之间时,放电电流均值上升到最高点,与之对应的振荡幅值也达到最大值。电压在350～450 V之间时,推力器工作模式相互频繁地转换,当放电电压达到450 V时,推力器工作模式为低电流模式,之后电流和振荡幅值总体上逐渐趋于稳定。

磁场位形3在电压为250 V工况时,其放电电流均值达到最高值,同时与之对应的低频振荡最大,处于高电流模式。而在300 V以后,推力器模式转换为低电流模式,电流均值和振荡幅值变化不大。而磁场位形1所对应的电流平均值增长缓慢,其振荡幅值变化幅度也较小。

同时也可以看出,磁场位形2的电流均值高于磁场位形1,尤其在高电流模式下,其放电电流均值和振荡幅值均远远高于磁场位形1所对应的参数值。此外对比磁场位形1和磁场位形3试验结果可得,在低电压工况下,磁场位形3的电流均值和振荡幅值均高于磁场位形1所对应的参数值;在高电压工况下,两种磁场位形的电流均值变化趋势基本一致,而且相差不大,磁场位形1的振荡幅值略高于磁场位形3的振荡幅值。所以从试验结果来看,磁场位形对推力器的低频振荡影响是十分明显的,在同等工况下磁场位形1的低频振荡最小。

2.4 外回路对低频振荡的影响规律

根据外回路电路图,连接各线路,如图10所示。本试验多级会切磁场推力器的外回路参数主要有3个,即电阻R、电感L和电容C。根据试验需要,设计了3种不同放电工况试验:工况1:350 V,8 m L/min;工况2:400 V, 8 m L/min;工况3:400 V,10 m L/min。

图10 外回路等效电路Fig.10 Outer circuit equivalent circuit diagram

(1)电阻对低频振荡的影响

试验过程中,工质气体选用氙气,阴极质量流量为5 m L/min,其电流为1.5 A。在3个不同试验工况下,电感值为10μH,电容值为0.1μF,改变电阻值,其变化范围为100～1 000Ω,变化步距为100Ω。电阻值每改变一次,同时记录放电电流变化情况。具体试验结果如图11～图13所示。

图11 外回路电阻对电流均值的影响Fig.11 Effect of outer circuit resistance on mean current

图12 外回路电阻对电流振荡的影响Fig.12 Effect of outer circuit resistance on current oscillation

图13 外回路电阻对电流振荡主导频率的影响Fig.13 Effect of outer circuit resistance on the dominant frequency of current oscillation

从试验结果可以看出,工况1和工况2的电流均值比较接近,并且变化趋势一致,随着电阻值增大电流均值均有较小幅度上升的趋势,波动很小。而工况3下的电流均值明显高于另两个工况下的电流均值,并且电流曲线变化明显较大。图12反映不同工况下电流振荡幅值随电阻的变化情况,可以看出在低电阻下,工况1和工况2的电流振荡幅值基本一致,都随着电阻的增大而有小幅上升趋势;在高电阻下,工况2的电流振幅相对工况1波动较大,并略高于工况1所对应的值。而由于工况3下推力器处于高电流模式下工作,其振幅相对高于另外两个工况。其电流振幅值在电阻为700Ω时达到最小值,以电阻值700Ω为参考点,电阻减小或者增大,电流振荡幅值均会增大。

图13反映了不同工况下电流振荡的主导频率随电阻的变化情况。其中,由于工况3对应的是高电流模式,其放电电流的主导频率不明显,所以并未在图中表示。从图中可以看出,随着电阻增大,两个工况下的振荡主导频率变化趋势基本一致,先增大后总体趋于平稳。在低电阻下,工况1的振荡频率低于工况2对应的值;相反,在高电阻下,工况2的振荡频率逐渐低于工况1的振荡频率。综合两个工况下的试验结果可以得出,在低电流模式下,电阻值越小,其振荡频率越低。

(2)电感对低频振荡的影响

试验过程中,阴极工况参数同(1)。在3个不同试验工况下,电阻值为600Ω,电容值为0.1μF,改变电感值,其变化范围为100～9 000μH。电感值每改变一次,同时记录放电电流变化情况。具体试验结果如图14～图16所示。

图14 外回路电感对电流均值的影响Fig.14 Effect of outer circuit inductance on mean current

从图14中可以看出,随着电阻的增加,工况1和工况2的电流均值的变化趋势大体一致,以电感1 000μH为参考点,此时电流均值最小,而当电感增大或减小时,其对应的电流均值都趋于基本稳定,并且在低于1 000μH时的电流均值大于此参考点以后所对应的电流均值。同样,在工况3的电流变化转折点在900μH附近,当在0～900μH区间时,随着电感增加,电流均值减小;当在900～9 000μH区间内,电流均值在1 000μH时上升到最高点,之后随着电感增加,电流均值逐渐减小。可见电感对推力器回路中的电流值具有一定的影响作用。

图15反映了不同工况下电流振荡幅值随电感的变化曲线。可以看出,电感对电流振荡的影响比较明显。工况1和工况2的电流振荡随着电感的变化趋势基本一致,在1 000μH时,两个工况对应的电流振幅达到最小值,而电感低于或高于1 000μH时,两个工况下的电流振荡幅值虽有小幅度波动,但总体趋于平稳。从工况3的曲线可以明显看出,当电感从900μH增加到1 000μH时,电流振幅急剧上升。在0～900μH和1 000～9 000μH两个区间内,随着电感增加,电流振荡呈现下降趋势。

图15 外回路电感对电流振荡的影响Fig.15 Effect of outer circuit inductance on current oscillation

图16 外回路电感对电流振荡主导频率的影响Fig.16 Effect of outer circuit inductance on the dominant frequency of current oscillation

从图16中可以得出,对于工况1,总体来看电流振荡频率随着电感的增大先是有一段小幅度的降低再急剧降低到最低点而后缓慢上升,伴随小幅波动逐渐趋于稳定。对于工况2,电流振荡频率随着电感变化的趋势比较复杂,先是小幅度地降低而后上升最高点,紧接着下降然后又较大幅度地波动最后逐渐趋于平稳,工况2的振荡频率总体上高于工况1。

从两个工况的试验结果对比来看,外回路电感对工况1的电流振荡频率的影响相对工况2比较明显,在电感值为1 000μH时,工况1对应的振荡频率降低到最小值;而工况2对应的振荡频率上升到最大值。可见不同工况下,外回路电感对振荡频率的影响不同。

(3)电容对低频振荡的影响

试验过程中,阴极工况参数同(1)。在3个不同试验工况下,电阻值为600Ω,电感值为500μH,改变电容值,其变化范围为0.1～28μF。电容值每改变一次,同时记录放电电流变化情况。具体试验结果如图17～图19所示。

图17 外回路电容对电流均值的影响Fig.17 Effect of outer circuit capacitor on mean current

图18 外回路电容对电流振荡的影响Fig.18 Effect of outer circuit capacitor on current oscillation

图19 外回路电容对电流振荡主导频率的影响Fig.19 Effect of outer circuit capacitor on the dominant frequency of current oscillation

从图17和图18可以看出,在工况1和工况2下,外回路电容对放电回路中的电流均值和电流振荡幅值影响不大,随着电容增加,两个工况对应的电流均值和电流振幅都趋于平稳,并且相差不大。在工况3下,随着电容增加,其对应的电流均值有小幅度波动,但总体呈平稳趋势,而电流振幅随着电容的增加变化趋势比较复杂,先是减小而后上升一定程度,紧接着下降最后呈现上升趋势。

图19为放电电流的振荡主频率随电容增加的变化曲线。从图中可以看出,在工况1下,外回路电容对振荡频率影响不太明显,总体上先有一小阶段的上升再基本不变然后略微降低;在工况2下,振荡频率随着电容的增加变化相对比较复杂,总体上振荡频率曲线波动比较大,先是增加再下降然后有一定上升,在电容为15μF时,振荡频率达到最大值。

3 结束语

本文通过一系列试验,研究了会切磁场推力器低频振荡的特性,分析和总结了工况参数、磁场位形以及外回路对低频振荡的影响规律,主要研究总结为以下几个方面:

1)多级会切磁场推力器工作模式主要分为高电流模式和低电流模式。在高电流模式下,具有高振幅、低频率的特征,羽流区比较模糊,并且电流振荡幅值随着放电电压增大呈先增大后降低的趋势,而对应的振荡频率随着放电电压增大而增大;在低电流模式下,具有低振幅、高频率的特征,羽流有两条明显的亮线,并且电流振荡幅值和频率均随放电电压增大而增大。

2)在不同工况下,随着质量流量增大,放电电流振荡幅值和主导频率均呈现增大趋势。在高质量流量下,随着放电电压的增加,多级会切磁场推力器从高电流模式转换为低电流模式,其模式转换所对应的放电电压区间为350～450 V。

3)外回路中电阻和电感对低频振荡有一定的抑制作用,而电容对低频振荡的影响不明显。在高电流模式下,电阻为300Ω、电感为900μH时,低频振荡得到明显削弱;在低电流模式下,电感为1000μH时,振荡最小。

参考文献(References)

[1] KORNFELD G,KOCH N,COUSTOU G.The highly efficient multistage plasma(HEMP)thruster, a new electric propulsion concept derived from tube technology[C]∥Proceeding of the 4th IEEE International Conference on Vacuum Electronics, 2003.

[2] KORNFELD G,WEGENER J,SEIDEL H.Plasma accelerator arrangement:Germany,No.198 28 704.6[P]. [3] KORNFELD G,KOCH N,COUSTOU G.First test results of the HEMP thruster concept[R]. 2003.

[4] CONTE J R I.Design of a cusped field plasma thruster[D].Boston:Massachusetts Institute of Technology,2012.

[5] YOUNG C V,SMITH A W,CAPPELLI M A. Preliminary characterization of a diverging cusped field (DCF)thruster[C]∥31st International Electric Propulsion Conference,2009.

[6] KORNFELD G,HARMAANN H,Koch N.Status and limited life test results of the cylindrical HEMP 3050 thruster,AIAA-2005-4223[R].Reston:AIAA, 2005.

[7] KOCH N,HARMAANN H,KORNFELD G. Status of the THALES high efficiency multi stage plasma thruster development for HEMP-T 3050 and HEMP-T 30250,IEPC-2007-110[R].2007.

[8] GENOVESE A,LAZURENKO A,KOCH N,et al.Endurance testing of HEMPT-based ion propulsion modules for SmallGEO[C]∥Proceedings of the 32th International Electric Propulsion Conference,2011.

[9] 江滨浩,赵一男,魏立秋,等.霍尔推力器振荡问题的研究综述[J].宇航学报,2009,30(6):2062-2071. JIANG B H,ZHAO Y N,WEI L Q,et al.Review of oscillation problem in Hall thruster[J].Journal of Astronautics,2009,30(6):2062-2071(in Chinese).

[10] 杨晶晶.磁场对霍尔推力器低频振荡的影响[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009. YANG J J.Influence of magnetic field on low frequency oscillation in Hall thrusters[D].Harbin: Harbin Institute of Technology,2009(in Chinese).

[11] 毛根旺,韩先伟,杨涓,等.电推进研究的技术状态和发展前景[J].推进技术,2000,21(5):1-5. MAO G W,HAN X W,YANG J,et al.The status and development prospects of electric propulsion technology research[J].Journal of Propulsion Technology, 2000,21(5):1-5(in Chinese).

[12] COURTNEY D G,LOZANO P,MARTINEZSANCHEZ M.Continued investigation of diverging cusped field thruster,AIAA-2008-4631[R].Reston: AIAA,2008.

[13] GILDEA S R,MARTINEZ-SANCHEZ M,NAKLESM R,et al.Experimentally characterizing the plume of a divergent cusped-field thruster[C]∥31st International Electric Propulsion Conference,2009.

[14] GILDEA S R,MATLOCK T S,LOZANO P,et al. Low frequency oscillations in the diverging cusped-field thruster,AIAA-2010-7014[R].Reston:AIAA,2010. [15] MATLOCK T S.An exploration of prominent cusped-field thruster phenomena:the hollow conical plume and anode current bifurcation[D].Boston: Massachusetts Institute of Technology,2013.

[16] MACDONALD N A,CAPPELLI M A,HARGUS W A J.Time-synchronized continuous wave laser-induced fluorescence axial velocity measurements in a diverging cusped field thruster[J].Journal of Physics D Applied Physics,2014,47(11):323-328.

(编辑:范真真)

Low frequency oscillation characteristics in a cusped field thruster

HU Junfeng,LIU Hui*,LI Jianzhi,SUN Qiangqiang
Institute of Advanced Power,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China

The operation mode of the thruster is divided into high current mode and low current mode to study the low frequency oscillation characteristics in a cusped field thruster.The characteristics of low frequency oscillation were studied by changing working parameters and magnetic field configuration.The effects of the outer circuit on the low frequency oscillation were also studied. Results show that the operation mode of the cusped field thruster converted from high current mode into low current mode with the increase of discharge voltage under the condition of high mass flow. In comparison,the discharge current in high current mode has the characteristics of high amplitude andlow frequency with vague plume.With the increasing of discharge voltage,the current oscillation amplitude increases and then decreases,while oscillation frequency increases along with the discharge voltage.However,the discharge current in low current mode has the characteristics of low amplitude and high frequency,and plume has two obvious bright lines.Current oscillation amplitude and frequency increases with the increasing of discharge voltage.With the increasing of mass flow rate, discharge current oscillation amplitude and frequency tend to increase in different working conditions. Meanwhile,the resistance and inductance in the outer circuit can suppress low frequency oscillation, but the effect of capacitance on low frequency oscillation is not obvious.

cusped field thruster;low frequency oscillation;high current mode;low current mode;working parameters;outer circuit

V430

:A

10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0007

2015-11-18;

:2015-12-10;录用日期:2015-12-30;< class="emphasis_bold">网络出版时间

时间:2016-02-24 13:40:42

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160224.1340.012.html

国家自然科学基金(11505041,51477035)

胡俊锋(1989-),男,硕士研究生,hujunfeng191@163.com

*通讯作者:刘辉(1981-),男,副教授,huiliu@hit.edu.cn,主要研究方向为空间电推进

胡俊锋,刘辉,李建置,等.会切磁场推力器低频振荡特性[J].中国空间科学技术,2016,36(1):26-34.HU J F,LIU H,LI J Z,et al.Low frequency oscillation characteristics in a cusped field thruster[J].Chinese Space Science and Technology,2016,36(1):26-34(in Chinese).

http:∥zgkj.cast.cn