硕士论文-霍尔推力器放电电流低频振荡特性及性能的仿真研究.doc

硕士学位论文霍尔推力器放电电流低频振荡特性及性能的仿真研究SIMULATE RESEARCH ON PERFORMANCE AND LOW-FREQUENCY OSCILLATION OF THE DISCHARGE CURRENT IN HALL THRUSTER 哈尔滨工业大学 国内图书分类号：V439+.2 学校代码： 国际图书分类号： 密 级：公开 工学硕士学位论文霍尔推力器放电电流低频振荡特性及性能的仿真研究硕士研究生： 导 师：超 教授申请学位：工学硕士学科：化工过程机械所 在 单 位：能源科学与工程学院答 辩 日 期 2 月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TK472 U.D.C: 621.438 Dissertation for the Master Degree in EngineeringSIMULATE RESEARCH ON PERFORMANCE AND LOW-FREQUENCY OSCILLATION OF THE DISCHARGE CURRENT IN HALL THRUSTERCandidate：Li ZhaozhongSupervisor：Prof.Wang QingchaoAcademic Degree Applied for：Master of EngineeringSpeciality：Chemical Process EquipmentAffiliation：School of Energy Science and EngineeringDate of Defence：July, 2013Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘 要霍尔推力器具有体积小、比冲适中、效率高以及寿命长等优点，主要应用于航天飞行器的姿态控制、位置保持以及轨道调整等任务，愈来愈受到各航天大国的青睐。但是在霍尔推力器实际运行过程中，其与实验中放电回路中存在大幅值的频率在几十kHz范围内的放电电流低频振荡现象。放电电流振荡幅值通常几安培范围内的变化，就会导致几十伏的放电电压变化。电压的波动会对航天器的电源产生不良的影响，甚至可能影响到推力器的寿命和性能，严重时甚至导致推力器熄火，因此霍尔推力器低频振荡现象一直是世界各研究机构关注的热点问题之一。本文针对霍尔推力器运行过程中放电电流的低频振荡开展相关模拟研究工作，研究了低频振荡与推力器性能、壁面腐蚀以及放电外回路的关系。以低频振荡产生的微观机理研究为基础，提出了抑制低频振荡的办法；在宏观上对具有隔离振荡作用的滤波结构参数进行了优化研究。首先，完善和改进了Morozov的一维准中性流体模型。改进后的模型，增加了反映推力器性能的推力、比冲及效率等性能参数模块，优化了外回路设计，使模型能够全面考虑不同的外回路结构和参数，并能够模拟推力器不同励磁模式：自励模式和单独励磁模式；其次，通过模拟对比分析了自/单独励磁模式下放电电流低频振荡，研究了通道内电子的运动和电离锋面的移动特性，阐述了低频振荡产生和抑制的机理。提出了在励磁电流中附加与低频振荡频率相同并具有一定振幅的交变电流分量的低频振荡抑制方法，模拟结果显示，该方法能够降低电离锋面在通道内的移动范围，进而大幅降低放电电流低频振荡；第三，为考察放电工作过程中放电回路大幅值的电流与电压变化，对直流稳压放电电源的影响，本文利用控制变量法对具有隔离滤波作用的放电外回路的参数进行了仿真优化设计，给出了外回路优化设计参数。在该参数条件下能够保证电源安全工作，并使低频振荡得到抑制，为推力器实际运行中的优化设计提供了理论支持；最后，研究了推力器寿命中末期通道壁面的腐蚀等因素对其性能及低频振荡的影响。通过模拟给出了推力器设计初期和寿命末期低频振荡特性的差异，并面向航天应用分析了寿命期内抑制低频振荡外回路参数的设计裕度问题，为保证推力器在寿命期内稳定运行提供了相关设计参考。关键词：霍尔推力器；低频振荡；抑制方法；放电外回路；优化设计AbstractWith advantages of small size, specific, high efficiency and long lifetime the Hall Thruster is mainly used in the task of spacecraft attitude controlling, station keeping and orbital adjustment and so on. Therefore hall thrusters are increasingly favored by all space powers. However, low frequency oscillation of the discharge current within tens of kHz frequency is always observed in actual operation which has large amplitude oscillation. Because tens volts changes of discharge voltage can be initiated by several amperes changes in the discharge current, voltage changes will cause negative effects of the DC power and may affect the lifetime and performance of the thruster, seriously even can lead to extinction thruster. Therefore, the low frequency oscillation phenomenon has been one of the hot issues which is focused by research institutions in the world. As low frequency oscillation is a universal phenomenon when Hall thrusters are working, simulative researchs are carried out in this article mainly in its effects in the wall corrosion and thruster performance, the outer loop of discharge designing and so on. Based on the microscopic physical mechanism of low frequency oscillations its suppression method is proposed and the parameters of the filter structure is optimization researched from the perspective of macro. Firstly, the One-Dimensional Hydrodynamic Model is improved in aspects of adding performance parameters module, adding the self-excitation module and holly considering the role of the capacitor. Secondly, compared with different excitation modes of Hall thruster the article analyses the intensity of oscillations. Through comparing and analysing of the movement of electrons and ionization fronts inside the discharging channel the physical mechanism of low frequency oscillation is described. After that, the methods of suppressing low frequency oscillations are put forward which can add to an alternating component of the excitation current with certain amplitude and the same frequency as low frequency oscillation in the basis of the original DC excitation current to suppress the development of low-frequency oscillation that has achieved good results with a simulate method. Thirdly, as large amplitude oscillations of current and voltage can cause negative effects in the power when the Hall thruster is working, parameters of the filter are set optimizedly by the control variable method which make the power operate safely and provide guidance for the actual. At last, the effect of low frequency oscillation and performance are discussed which is caused by the channel wall erosion at the late life of the Hall thruster. Then different characteristics of low-frequency are given in different life of the thruster which can reasonablely set the design margin of outer loop parameter to suppress low-frequency oscillations in lifetime of the thruster. It provide relevant reference to ensure the thruster working stable in the lifetime.Keywords: Hall thruster, low frequency oscillation, inhibiting method, outer discharge circuit, optimized designing目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 课题的背景及研究的目的意义11.1.1 课题的背景11.1.2 研究的目的及意义11.2 国内外研究现状41.2.1 霍尔推力器的发展现状41.2.2 霍尔推力器低频振荡研究现状71.3 本文主要研究内容11第2章 稳态等离子推力器的一维准中性流体模型132.1 引言132.2 霍尔推力器内的放电电流低频振荡132.2.1 霍尔推力器的工作原理132.2.2 霍尔推力器内的振荡现象152.2.3 低频振荡研究中存在的问题162.3 低频振荡一维准中性流体动力学模型172.3.1 模型的假设172.3.2 Morozov一维准中性流体模型182.4 Morozov一维准中性流体动力学模型的优化192.4.1 性能参数的补充192.4.2 放电回路的优化192.4.3 模型无量纲化222.4.4 Simulink模型的建立242.5 典型运行工况的仿真运行结果252.6 本章小结28第3章 霍尔推力器励磁模式对低频振荡及性能的影响303.1 引言303.2 霍尔推力器的各励磁模式及特点303.3 励磁模式对低频振荡及性能影响的仿真分析323.3.1 霍尔推力器自励磁模式的一维准中性数学模型323.3.2 励磁模式对低频振荡及性能的影响分析333.3.3 自励磁模式抑制低频振荡的机理分析343.4 单独励磁模式下励磁电流的交变分量对低频振荡的影响383.4.1 交变励磁电流的仿真实验设计383.4.2 交变的励磁电流对低频振荡及性能的影响413.4.3 交变的励磁电流对低频振荡抑制的机理分析433.5 本章小结45第4章 霍尔推力器外回路特性对低频振荡及性能影响的研究474.1 引言474.2 放电电源对低频振荡与性能的影响分析484.2.1 直流开关稳压电源的原理介绍484.2.2 电源模块的搭建494.2.3 电源模块接入放电回路中与原模型的对比分析504.2.4 外回路隔离滤波结构的作用分析514.3 外回路中滤波器结构参数的设置与仿真研究524.3.1 滤波电路中电容与电感的优化534.3.2 滤波电路中电阻的优化与物理意义564.3.3 滤波电路中电阻值的功耗584.4 推力器寿命末期放电电流振荡特性与性能研究604.4.1 推力器寿命中末期放电通道的壁面腐蚀604.4.2 不同形式的壁面腐蚀对推力器性能的影响614.4.3 壁面腐蚀对滤波电感设计裕度的分析644.5 本章小结65结 论67参考文献69攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果75哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明76致 谢77V第1章 绪 论1.1 课题的背景及研究的目的意义1.1.1 课题的背景航天技术的应用和发展是一个国家科技水平的综合体现，是人类进行空间资源开发与利用、空间科学与技术创新的重要途径。随着深空探测技术的发展，航天器对推进系统性能要求的不断提高，电推进以其独有的优势被越来越多地应用在卫星姿态控制、位置保持、空间飞行器深空探测、星际旅行等空间任务中。霍尔推力器(Hall Thruster)作为一种典型的电推进装置，以其效率高（最高可达55%），工作寿命长（6000h7000h），高比冲（最高可达7000s）等优点引起世界各航天大国的广泛关注并成为航天推进领域研究和投入的热点方向。然而，稳态等离子推力器在实际工作过程中存在放电电流的低频振荡，以在1100KHz范围内的振荡幅值最大，最高可达平均值的100%，对发动机性能及稳定性的提高影响较大，严重时甚至导致发动机熄火，因此，对稳态等离子推力器放电电流低频振荡特性的研究具有重要意义。1.1.2 研究的目的及意义近年来，随着微小卫星、行星探测以及深空探测等空技术的逐渐兴起，对发展体积更小、质量更轻、效率更高的航天推进技术的需求也越来越高，而航天推进技术也逐步经历了从早期的冷气推进技术、化学推进技术到电推进技术的发展过程 龚景松, 钟北京, 侯凌云等. 深空探测推进系统的发展现状和发展趋势C. 中国宇航学会深空探测技术专业委员会第二届学术会议论文集. 2005.，其主要性能参数对比如表1-1所示。传统的冷气与化学推进技术愈来愈难以满足当前航天的需求，而发展体积小、比冲高、寿命长以及效率高的电推进技术已经成为迫切的需要。表1-1 不同类型推进系统的性能参数表 刘维维. 低频振荡对束聚焦型霍尔推力器性能的影响D. 哈尔滨工业大2011.推进系统推进剂种类推进剂质量（Kg）推力（N）比冲（s）应用场合冷气系统氮气等1950.2270060225微小卫星姿态控制等化学推进肼、过氧化氢等1001040.11.2107250530深空探测等电推进氙气、氦气等565110-30.725010000卫星的位置保持及姿态控制、深空探测等电推进技术是指利用电能对工质进行加热、电离与加速，通过形成粒子的高速射流进而产生反冲推力的技术。与传统化学推进技术相比，电推进技术具有高比冲、高效率、长寿命、重量轻等特点，可用于航天器的姿态控制、位置保持、轨道的转移和提升、宇宙探测等任务。鉴于电推进技术的特点, 以及近年来在实际航天应用中的成功应用, 电推进技术越来越受到各航天大国的重视与亲睐。目前电推进系统的种类较多，其中按照工质的加热方式可将电推进系统分为电热式、静电式以及电磁式三种类型。电热式推力器主要是通过电能将工质加热，使工质气化分解后，再经过喷管加速排出，产生反向推力的一种电热装置，主要有电阻式Resistojet）、电弧式（Arcjet）推力器等。静电式推力器主要是通过电能将工质原子离解成离子与电子，然后在静电场作用下将带正电的离子加速并排出，产生反向推力的一种离子推力器，当前主要有回旋加速谐振式（ECR ion）、Kaufman式（Ion）等推力器。而电磁式推力器主要是通过电能将工质变成等离子体状态，然后在电磁场共同作用下加速从喷管排出，产生反向推力的一种等离子体推力器，主要有霍尔等离子推力器（SPT）、脉冲型等离子推力器（PPT）等。电推进各类型典型推力器的性能参数范围见表1-2所示，在电推进系统中，霍尔推进器的效率和比冲尽管低于静电式的离子推进器，但是其比冲范围（1000s2500s）恰好处在目前近地航天器的控制所需要最优的比冲范围之内(1000s3000s)，同时不存在空间电荷的限流等问题，而且其体积、质量也相对较小，因此霍尔推力器愈来愈受到各航天大国的青睐 汪礼胜，唐德礼. 霍尔推进器的研究现状与发展趋势J. 2004.。表1-2 电推进各推进系统的性能参数3类型比冲（s）效率推力寿命（N.S）电热式电阻加热推力器1507003090550003105电弧推力器280230030505050008.6105静电式Kaufman离子推力器12001000055900.056005106回旋加速谐振离子推力器300040002515未知电磁式脉冲等离子推力器1000150056750.005202105霍尔等离子推力器10002500406017002.3106虽然霍尔推力器放电过程中所应用的电源为直流，但是在实际实验中仍能观察到放电电流的振荡现象。如图 1-1所示，放电电流频率范围约在1100KHz之间的振荡幅值较大，放电电流的峰峰值可以达到其平均值的100%。而推力器放电运行时，几安培的放电电流变化，就会导致几十伏的放电电压变化，较大的电压变化会对航天器的电源产生不良的影响，甚至可能影响到发动机的推力、效率及比冲等性能的变化，严重者甚至导致推力器熄火。例如，日本东京大学在某研究过程中，就曾因为频率在10100KHz范围之间的放电电流振荡导致霍尔推进器在放电工作过程中的熄火 E. Y. Choueiri. Plasma Oscillations in Hall Thrusters. Physics of Plasma.2001,8(4): 14181419.，而推力器正常运行150200 小时后，放电电流低频振荡的强度显著增强。鉴于以上问题，这种低频振荡现象也越来越受到各国的研究人员的关注，开始逐渐从地面实验、机理分析和数学建模等几方面进行了大量的相关研究。推力器工作过程中放电电流低频振荡的危害主要有以下4点：1、推力器放电振荡回路中，较高振幅的放电电流及其引发的较高振幅的放电电压，对航天器中直流电源产生不良的影响，因此较高的振荡幅值会对航天器的供电系统产生负面的影响 C. Perot, N. Gascon, S. Bechu. Characterization of a Laboratory Hall Thrusterwith Electrical Probes and Comparisons with a 2D Hybrid PIC-MCC Model.AIAA-99-2716: 211.。2、Darnon N. Gascon, C. Perot, G. Bonhomme. Signal Processing and Non-linear Behavior of a Stationary Plasma Thruster: First Results. AIAA-99-2427: 15.等人研究发现，在放电电流低频振荡较大时，通道壁面的陶瓷材料被腐蚀的速率加快了，这会导致推力器的寿命下降。3、低频振荡现象还会导致等离子体的发散角增大，加重羽流污染。4、低频振荡现象可能会影响推力器的推力、比冲以及效率等，使其远离最佳工况点，严重时会导致推力器的熄火4。 鉴于以上推力器在放电工作过程中的种种不良影响，为使霍尔推力器在推力、比冲及效率等性能基本不变的情况下，运行在一个相对较为稳定的状态以及实现单独励磁模式下对放电电流低频振荡的有效控制，有必要对霍尔推力的放电电流低频振荡的机理及相关预防措施进行研究。图1-1 某霍尔推力器放电电流的振荡示意图1.2 国内外研究现状1.2.1 霍尔推力器的发展现状稳态等离子推力器（Stationary Plasma Thruster）简称SPT，为当前霍尔推力器工程样机的名称，是由苏联最早研究与应用的电推力器中的一种。早在上世纪60年代初期，美、苏两国的研究人员就各自开始对霍尔推力器进行相关研究，但是研究初期美国所研究的SPT的推力效率远不及当时所研究的离子推力器而失去兴趣 赵一男. 霍尔推力器高频电磁辐射的实验研究D. 哈尔滨工业大学, 2009.。而在苏联，在原子能研究所的莫罗佐夫教授领导下一直坚持研究，最终取得较大成功。该小组在1969 年初，完成了型号为“SPT-60”霍尔推力器的样机试验，经过火炬设计局研究人员的改进，在1971 年底，型号为“SPT-60”的霍尔推力器在“Meteor”号卫星上成功发射，并准确进入轨道。随后，苏联热加工研究所以及莫斯科航空学院等单位也相继参与了研究工作。1978年，型号为“SPT-50”的推力器成功将“Priroda-Meteor”号卫星送入地球同步轨道中去。随后在1982 年，型号为“SPT-70” 和“SPT-100” 的推力器开始逐渐应用于NPO Lavochkin与NPO PM所设计的航天器中。在1982 至2006共20多年的时间内，在 “Luch”以及“Kosmos”系列卫星上总共使用了近60余个“SPT-70”型号的推力器。此外，在2006年为哈萨克斯坦发射的“KazSat”号地球同步卫星上所应用的推力器也是“SPT-70”。 同时，自1994年以来，“Gals”、“SeSat”以及“Express”系列的通信卫星上的电推进系统逐渐开始由8个型号为“SPT-100”，推力均为83mN左右的推力器组成，主要用于卫星轨道的调整 Kim V, Popov G, Arkhipov B, et al. Electric propulsion activity in RussiaJ.IEPC Paper, 2001, 5: 2001.。截止到2006 年，已有近64台“SPT-100”型的推力器在卫星上使用。由此可见，“SPT-70”和“SPT-100”已逐渐成俄罗斯应用于各种航天器飞行任务的两种较为成熟的霍尔推力器，主要性能参数如表1-3所示 王华新. 霍尔等离子体发动机在俄罗斯的研究发展和应用C. 第十四届全国等离子体科学技术会议暨第五届中国电推进技术学术研讨会会议摘要 集. 2009.。1997年，俄罗斯又研究出了综合性能参数更高的“SPT-ATON”型推力器，其主要性能参数为效率67，比冲2000s，羽流发散角低于10度。自21世纪以来，俄罗斯火炬设计局正在改进与测试“SPT-100”推力器，它不但将会用于新型地球同步通信卫星“Express-2000”及“Express-A”上，而且还将应用于由NPO PM公司设计的最先进的通信卫星“Gals-R16”系列上 Testoedov N A, Yakimov E N, Ermoshkin Yu M, et al. Overview of electricpropulsion activity in RussiaJ. 2007.。表1-3 两种推力器型号的性能参数对比9推力器型号SPT-70SPT-100推力（mN）4083比冲（s）14501600所需功率（W）6501350效率（%）4448试验寿命（h）31009000前苏联的解体以后，打破了原来的技术封锁，通过更多的学术交流等人们对于苏联所研究的霍尔推力器有更多的了解。1991年，美国的一个电推进学术小组参观访问了前苏联的两个主要电推进实验室，切实的了解了霍尔推力器的研究情况。当前美国各大著名高校及相关机构均对霍尔推力器进行了相关研究，斯坦福大学的研究人员主要针对霍尔推力器放电通道内粒子的输运过程进行了相关研究，对于放电过程中周向的电流振荡与壁面对等离子体电导率的影响进行了数值仿真与实验研究 Meezan N B, Cappelli M A. Kinetic Study of Wall Collisions in a Coaxial HallDischargeJ. Physical Review E, 2002, 66: 036401.；密歇根大学的研究人员主要从霍尔推力器的实验诊断等方面进行了大量研究工作，测量得到了与霍尔推力有关的大量相关参数的实验数据 Rovey J L, Walker M L R, Gallimore A D, Peterson P Y. Evaluation of aMagnetically-Filtered Faraday Probe for Measuring the Ion Current Density Profile of a Hall ThrusterC. 40th Joint Propulsion Conference, Fort Lauderdale, FL, 2004: AIAA-2004-3948.；麻省理工大学的研究人员，主要从霍尔推力器工作机理方面进行研究，在数学建模方面成果较多，利用PIC方法搭建了霍尔推力器放电通道内及羽流区的数学模型 Murat C, Mark S, Manuel M S, Jaime P. Hybrid-PIC Simulation of a HallThruster Plume on an Unstructured Grid with DSMC CollisionsC. 28th International Electric Propulsion Conference, Toulouse, France, 2003: IEPC-2003-134., Santi M, Cheng S, Celik M. Development and Preliminary Results of the AQUILA Hall Thruster Plume ModelC. 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Huntsville, Alabama, 2003: AIAA-2003-4873.。美国航天局（NASA）主要对功率范围在0.22.9KW之内的较高功率的霍尔推力器进行研究，主要为满足深空探测的需求。NASA则将研究重点放在了大功率（大于5KW）、高比冲的霍尔推力器方面的研究，以满足深空探测等对推力器性能要求较高的需求。其通过与密歇根大学的研究小组合作，研制了一个5 kW的霍尔推力器，在工质质量流量小于5 mg/s，而放电电压大于500 V时，推力器的效率仍大于50，同时，当推力器的工作电压在1000 V左右时，通过磁场的调整，推力器性能仍能维持在较高水平 Hofer R R, Gallimore A D. The Role of Magnetic Field Topography in Improving the Performance of High-Voltage Hall ThrustersC. 38th AIAA/ ASME/ SAE/ ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Indianapolis, Indiana, 2002: AIAA-2002-4111.。美国航天局在2002年已将50 kW的霍尔推力器作为重点研究计划之一 Jankovsky R S, Jacobson D T, Sarmiento C J, Pinero L R, Manzella D H, HoferR R, Peterson P Y. NASAs Hall Thruster Program 2002C. 38th AIAA/ ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Indianapolis, Indiana, 2002: AIAA-2002-3675.，2004年霍尔推力器样机NASA-457Mv2研制成功 Jacobson D T, Manzella D H, Hofer R R, Peterson P Y. NASAs 2004 Hall Thruster ProgramC. 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Fort Lauderdale, Florida, 2004: AIAA-2004-3600.，最高功率可达到96 kW，最大推力推力可达3.3 N，最大比冲在3500s左右，效率接近58。接着提出了研制功率超过100 kW的大功率霍尔推力器 Jacobson D T, John J, Kamhawi H, Manzella D H, Peterson P Y. An Overview of Hall Thruster Development at NASAs John H. Glenn Research CenterC. 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 2005: AIAA-2005-4242.。2004年，美国SS/L公司首次利用俄罗斯型号为“SPT-100”的霍尔推力器作为MBSat-1卫星的主推力器。2006年，由Busek公司研制的BHT-200霍尔推力器作为TacSat-2卫星的主推力器发射成功，这也是美国自行研制的霍尔推力器的首飞。2010年，美国LMSC公司利用Aerojet公司研究的BPT-4000霍尔推力器完成AEHF-1卫星南北位置保持任务，也标志着当前电推进技术由电弧时代逐渐向霍尔时代的过度 张天平. 电推进技术的发展与应用 C. 第十七届全国等离子体科学技术会议暨第八届中国电推进技术学术研讨会会议摘要集. 2012.。目前，在美国航天局及空军的赞助下，Busek公司正在研究高性能的以铋为工质的霍尔推力器，主要性能参数为：功率在20kW左右，比冲高于3000 s，效率将近65。通过以上分析得出，在霍尔推力器研究方面，美国在对俄罗斯的技术完成跟踪研究与吸纳后，当前已具备相当的研究规模，发展势头较快。欧洲方面对霍尔推力器的研究工作主要在法国。1991年，法国的Snecma航空公司与俄罗斯的火炬（Fakel）设计局首次合作，在以“SPT-70”型号的霍尔推力器为基础，研究制造出“PPS-1350”型的霍尔推力器。1994 年，为推进霍尔推力器及其辅助装置的发展，法国的国家空间技术中心公布了“通信卫星轨道试验的新技术”的飞行计划（STENTOR） Cadiou A, Gelas C, Darnon F, et al. An overview of the CNES electric propulsion programC. Proceedings of the 28th International Electric Propulsion Conference, Toulouse, France. 2003.。1996 年以来，法国的国家空间技术中心、国家科学技术研究中心、法国航天局、Snecma 公司以及法国各大高校等均把提高霍尔推力器的性能以及研究大推力的霍尔推力器作为主要目标 Bouchoule A, Cadiou A, Hron A, et al. An overview of the French research program on plasma thrusters for space applicationsJ. Contributions to plasma Physics, 2001, 41(6): 573-588.。法国国家空间技术中心与Snecma公司合作设计与研究了型号为“PPS-X00”的大功率霍尔推力器，设计功率为6KW。2000年，Snecma公司的研究人员则提出在“PPS-1350”推力器相同放电电压等初始条件下，需提高其寿命，而新型推力器应兼具较低的制造成本与周期、较强的耐热与机械性能以及较长的寿命等优点。2002年，欧洲航天局第一次将法国Snecma公司研发改进后的“PPS-1350G”型霍尔推力系统作为“SMART-1”号月球探测卫星的主推进系统，在随后的几年内，该电推进系统陆续被欧洲的“ASTRA-1K”、美国的“Telstar-8”等十几颗商用卫星所采采用 吴汉基，蒋远大，张志远. 电推进技术的应用与发展趋势J. 推进技术. 2003. 24(5)：385.。与此同时，法国与俄罗斯方面进行合作对“SPT-ATON”型霍尔推力器的进行开展了相关地面研究实验。针对不同放电电压下推力器的放电电流及效率等相关性能参数进行了测量 Roche S, Gascon N, Prioul M, Magne L, Bechu S, Bouchoule A. Operating Conditions and Plasma Study of an ATON-Class Hall ThrusterC. 3rd International Conference on Spacecraft Propulsion, Cannes, France, 2000.。总之，法国基本是在融合俄罗斯霍尔推力器研发技术的基础上进行创新研究，走在了研究的前列。日本对霍尔推力器的研究主要集中在高校，但是取得了一定的研究成果。最早由大阪大学Osaka大学最早研制了THT系列的霍尔推力器，并测试了磁场因素对推力器放电电流的影响，对于验证磁场强度及位型对放电电流的影响具有重要意义 Tahara H, Mitsuo K, Goto D, Yasui T, Yoshikawa T. Operating Characteristics ofLow Power Hall ThrustersC. 22nd International Symposium on SpaceTechnology and Science, Morioka, Japan, 2000., Tahara H, Goto D, Yasui T, Yoshikawa T. Thrust Performance and Plasma Characteristics of Low Power Hall ThrustersC. 27th International Electric Propulsion Conference, Pasadena, CA, 2001: IEPC-2001-042.。并与石川公司于1999年在大阪大学实验样机THT系列推力器基础上进行联合研发了新型低功率的霍尔推力器，主要对工质气体分配系统进行了改进，功率在3001300W范围内，推力可达1570mN，比冲可达11002300s，效率可达55%。2002年，日本东京大学的Kuninaka等人利用实验与数学模拟相结合的方法，在功率为1.5kW的霍尔推力器样机上针对推力器放电电流振荡对寿命的影响进行了研究；此外，还利用氧气作为工质进行了实验研究，研究结果显示，工质利用率较低（低于45%），在比冲大于1000s时，推力器效率低于10% Kuninaka H. Activities on Electric Propulsion in Japan-Space Flight from Basic ResearchC. 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Indianapolis, Indiana, 2002: AIAA-2002-3563.。2007年，大阪大学与东京大学合作，又对功率为70-300kW的霍尔推力器通道内等离子体束利用探针进行了测量，得出电离加速区靠近阳极的径向磁场较强。综上，日本对于霍尔推力器的研究工作主要集中在东京大学及大阪大学等高校，推力器主要是中小功率型号方面的实验与研究。我国对于霍尔推力器的研究工作主要集中在上海801航天研究所，最早在1996年就开始了研究，建有独立的霍尔推力器地面实验系统。现在已经研制出型号为“SPT-100”、“SPT-40”、“SPT-70”和“SPT-100等样机，当前正在对其性能等进行测试及试验。该所结合有限元分析软件，在额定工况下针对“SPT-100”等型号的霍尔推力器放电通道内的磁场进行了仿真计算，取得了较好效果，不但为推力器的优化改进提供了相关仿真支持也为验证利用有限元等仿真软件平台辅助仿真分析霍尔推力器通道内磁场的有效性与可行性提供依据 廖宏图，汪兆凌，康小录. 稳态等离子体推力器磁场设计与数值分析. 推进技术. 2002, 23 (3): 240241.。其他研究机构鉴于保密等因素所发表文献较少。1.2.2 霍尔推力器低频振荡研究现状霍尔推力器放电电流的低频振荡是其固有的特性，国外研究人员在实际实验时均能观察到这种现象，而这一特性会对串联工作的电源造成冲击，还有可能在串联工作时影响其他电器装置的正常工作，较大的振荡幅值还有可能影响推力器的寿命及性能，文献4中也提到过东京大学在研究实验过程中因为10100kHz 范围内的电流低频振荡而引发推力器放电工作时的熄火事件。鉴于这一特性导致推力器工作时的出现的多种不利因素，引起了国外研究人员的重视，逐渐开始利用实验及理论建模分析等方法，研究这一特性产生的物理机理及相关抑制办法。 当前霍尔推力器的研究主要是在前苏联的研究结果基础上的继承与发展，对于霍尔推力器低频振荡这一放电特性的发现与研究，最要也是出现在前苏联的文献中 Tilinin G N.High-frequency plasma waves in a Hall Accelerator with an extended acceleration zone. Sov. Phys. Tech. Phys., 22, 1977-974.。从上世纪70年代开始，俄罗斯科学家对霍尔推力器低频振荡主要从实验方面进行了系统的研究 Y. Esipchuck, A. Morozov, G. Tilinin, and A. Trofimov, Sov. Phys. Tech. Phys.18, 928 (1974).；霍尔推力器的创始人Morozov在对“SPT-ATON”第二代霍尔推力器设计时，为降低放电电流的振荡强度，采取的措施如下 Romero-Talams C A, Hooper E B, Jayakumar R, et al. Effect of preionization in Aton-type Hall thruster on low frequency oscillationJ. Phys. Plasmas, 2008, 15(4).：在阳极处增设缓冲腔，使喷入通道内的工质气体更加均匀；增设附加线圈，使通道内的磁场出现一个“零磁场”区，增大工质气体进入电离区时的预电离度；在外放电回路中增加滤波电路；在实际实验的过程中观察到了“SPT-ATON”的放电电流低频振荡幅值相对较小的现象，经研究指出了推力器的这一振荡特性与电子在放电通道中的传导机制有关