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北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100191

磁等離子發(fā)動(dòng)機(jī)超導(dǎo)附加線(xiàn)圈的電磁特性分析

姚露，楊文將*，張濤，王寶軍，湯海濱

北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100191

在工程應(yīng)用上提供附加場(chǎng)的傳統(tǒng)水冷銅線(xiàn)圈存在體積大、質(zhì)量大、電耗高等顯著缺點(diǎn)，因此體積小、質(zhì)量小的高溫超導(dǎo)磁線(xiàn)圈在附加場(chǎng)的磁等離子發(fā)動(dòng)機(jī)(Applied-Field MagnetoPlasmaDynamic Thruster，AF-MPDT)中的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。文章為滿(mǎn)足0.2 T的大孔徑中心磁場(chǎng)需求，對(duì)內(nèi)徑160 mm、高度30 mm、材料為Bi-2333/Ag的三層雙餅高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈進(jìn)行了電磁特性試驗(yàn)研究?；陔娸斶\(yùn)法原理建立了高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈的臨界電流測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量了不同層級(jí)和有無(wú)鐵板情況下的線(xiàn)圈臨界電流IC。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同層級(jí)的臨界電流IC最大有12%的差別，以中間層的IC值最大；聚磁鐵板對(duì)線(xiàn)圈電磁特性具有正面影響，最高能將IC值提升42%。文章也開(kāi)展了超導(dǎo)磁線(xiàn)圈電磁場(chǎng)仿真分析，研究了鐵板尺寸和位置對(duì)線(xiàn)圈電磁特性的影響，得出了優(yōu)化的聚磁鐵板設(shè)計(jì)方案。

磁等離子發(fā)動(dòng)機(jī)；高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈；臨界電流測(cè)量；電磁場(chǎng)仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)

磁等離子發(fā)動(dòng)機(jī)(MagnetoPlasmaDynamic Thruster，MPDT)在推力和比沖方面具有其他發(fā)動(dòng)機(jī)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)深空探測(cè)的理想推進(jìn)方案之一[1]。2005年文獻(xiàn)[2]很好地總結(jié)了之前MPDT的研究工作，指出AF-MPDT由于附加磁場(chǎng)的電磁加速作用，在100 kW級(jí)功率范圍內(nèi)，性能較SF-MPDT更加優(yōu)越。

MPDT的工作原理是利用磁場(chǎng)和電流相互作用的洛倫茲力來(lái)加速等離子體。然而，由于場(chǎng)強(qiáng)較小且能級(jí)較低，自身場(chǎng)加速將導(dǎo)致嚴(yán)重的粒子發(fā)散和巨大的等離子體能量損失。附加磁場(chǎng)可以限制壓縮發(fā)散的粒子流，其效果如同增加了陽(yáng)極的長(zhǎng)度[3]。有許多學(xué)者研究了附加磁感應(yīng)強(qiáng)度和形狀對(duì)MPDT工作性能的影響[4-5]。研究表明，推力的增加與JTB呈線(xiàn)性關(guān)系，其中JT是加載在推力器上的總電流，B是附加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。另外，附加磁場(chǎng)的作用可以降低電極的腐蝕從而延長(zhǎng)MPDT的使用壽命[6]。

附加磁場(chǎng)一般由電磁線(xiàn)圈或者永磁體產(chǎn)生，其磁感應(yīng)強(qiáng)度通常在0.1～0.5 T。在大多數(shù)AF-MPDT的試驗(yàn)中，該磁場(chǎng)由水冷銅線(xiàn)圈提供。然而銅線(xiàn)圈卻存在包括線(xiàn)圈質(zhì)量過(guò)大，對(duì)電源和水冷系統(tǒng)的要求過(guò)高等缺點(diǎn)。隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)線(xiàn)圈由于小質(zhì)量、小體積、高電流密度，以及強(qiáng)磁場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。2002年美國(guó)約翰遜空間中心對(duì)安裝在VASIMR推力器中的高溫超導(dǎo)磁體進(jìn)行了測(cè)試[7]。線(xiàn)圈采用Bi-2333超導(dǎo)線(xiàn)材，內(nèi)徑為0.23 m，整體高度接近0.04 m，中心磁場(chǎng)在105 A的設(shè)計(jì)運(yùn)行電流下可以達(dá)到0.28 T，總質(zhì)量不超過(guò)5 kg。超導(dǎo)磁線(xiàn)圈小體積和小質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，有利于A(yíng)F-MPDT的小型化和工程應(yīng)用。但由于高溫超導(dǎo)帶材的特殊性，帶來(lái)諸如低溫條件、工作穩(wěn)定性等問(wèn)題，因此需要對(duì)磁體的設(shè)計(jì)和工作性能開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

本文首先簡(jiǎn)要介紹了AF-MPDT附加磁場(chǎng)發(fā)揮作用的物理機(jī)制，之后對(duì)設(shè)計(jì)出的高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈進(jìn)行電磁特性的研究，測(cè)量了線(xiàn)圈的臨界電流值。最后本文采用了電磁場(chǎng)仿真的方法，研究聚磁鐵板尺寸與位置對(duì)線(xiàn)圈磁場(chǎng)的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)本文的研究，展示了應(yīng)用于MPDT的高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈磁體的基本結(jié)構(gòu)和電磁特性，為AF-MPDT的小型化提供重要的依據(jù)。

1 AF-MPDT的物理機(jī)制

圖1是一般AF-MPDT的原理示意。核心部件是中心陰極和噴管形狀的陽(yáng)極。推進(jìn)劑從放電室壁面的進(jìn)口注入，在弧電流的作用下發(fā)生電離生成等離子體。磁線(xiàn)圈布置在陽(yáng)極的外圍，在放電和加速區(qū)域產(chǎn)生軸向的磁場(chǎng)。

圖1 AF-MPDT的結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural representation of AF-MPDT

在MPDT中，沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，弧電流的徑向分量Jr與弧電流自感應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的周向分量Bθ相互作用將產(chǎn)生軸向洛倫茲力，使等離子體加速。有附加磁場(chǎng)的時(shí)候，推力產(chǎn)生的機(jī)理變得十分復(fù)雜。根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)Tikhonov模型[8]，AF-MPDT的推力主要由回旋電磁力TSW、自感應(yīng)場(chǎng)電磁力TSF和氣動(dòng)推力TGD等3個(gè)部分組成：

式中：B0為附加磁感應(yīng)強(qiáng)度；RA為陽(yáng)極半徑；RC為陰極半徑；KSW為附加磁場(chǎng)推力系數(shù)；a0為陰極出口的音速；KGD為氣動(dòng)推力系數(shù)。

研究表明，存在一個(gè)最佳的附加磁場(chǎng)位置和強(qiáng)度[9]，能表現(xiàn)出對(duì)等離子體最好的加速能力。附加磁場(chǎng)形狀沿陰極尖端向下游慢慢發(fā)散，以及平行于內(nèi)陽(yáng)極表面時(shí)，都能展示出更好的電磁加速性能[10-11]。

2 超導(dǎo)線(xiàn)圈電磁特性分析

2.1高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈的指標(biāo)要求與設(shè)計(jì)參數(shù)

高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈具有高電流密度，有利于降低線(xiàn)圈工作電流值，減小對(duì)于電源功率的要求，同時(shí)降低體積和質(zhì)量。為了滿(mǎn)足中高功率大口徑的AF-MPDT設(shè)計(jì)要求，本文將設(shè)計(jì)內(nèi)徑為160 mm和中心場(chǎng)強(qiáng)為0.2 T的高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈，以77 K工作溫度為前提，其設(shè)計(jì)指標(biāo)要求見(jiàn)表1。

表1 高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈指標(biāo)要求Table 1 HTS coil specifications

線(xiàn)圈由單銀基Bi-2223多芯帶材組成。帶材的寬度為4.5 mm，厚度為0.25 mm。整個(gè)線(xiàn)圈由3個(gè)雙餅線(xiàn)圈組成，單個(gè)雙餅線(xiàn)圈匝數(shù)為224，長(zhǎng)度為140 m。3個(gè)雙餅線(xiàn)圈堆積串聯(lián)起來(lái)組成一個(gè)連續(xù)的線(xiàn)圈。匝與匝之間，層與層之間都采用了聚酰亞胺塑料進(jìn)行絕緣保護(hù)。每個(gè)雙餅線(xiàn)圈都留有電壓引線(xiàn)用于失超檢測(cè)。線(xiàn)圈兩側(cè)增加了聚磁鐵板來(lái)提高中心的磁場(chǎng)，鐵板內(nèi)徑160 mm、外徑250 mm、高度10 mm。經(jīng)過(guò)電磁場(chǎng)仿真的初步計(jì)算，高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈的主要設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)果如表2所示，實(shí)物見(jiàn)圖2。

表2 高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 HTS coil design parameters

圖2 AF-MPDT附加線(xiàn)圈實(shí)物Fig.2 A photo of the HTS coil for AF-MPDT

2.2 臨界電流的測(cè)試方法

高溫超導(dǎo)帶材的各向異性使得超導(dǎo)磁線(xiàn)圈的工作性能易受到周?chē)h(huán)境的影響，從而引發(fā)失超等不穩(wěn)定工作情況。因此需要對(duì)線(xiàn)圈的電磁特性進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析。臨界電流是表征超導(dǎo)線(xiàn)圈電磁特性的主要參量[12]，它是指接通電流的超導(dǎo)體兩端開(kāi)始出現(xiàn)電壓時(shí)的電流值。針對(duì)Bi-2223/Ag材料，臨界電流的判定標(biāo)準(zhǔn)是：超導(dǎo)帶上電壓超過(guò)1 μV/cm，則視為線(xiàn)圈發(fā)生失超，此時(shí)通過(guò)線(xiàn)圈的電流為臨界電流IC。

臨界電流常用的測(cè)量方法是標(biāo)準(zhǔn)四引線(xiàn)電輸運(yùn)法[13]。電輸運(yùn)法是用電流源通過(guò)靠外側(cè)的電流引線(xiàn)將連續(xù)變化的電流提供給待測(cè)樣品，數(shù)字電壓表則通過(guò)靠?jī)?nèi)的兩根電壓引線(xiàn)來(lái)測(cè)量電流I在樣品上所形成的連續(xù)變化的電勢(shì)差U。四引線(xiàn)法原理[14]如圖3所示。其中兩根為電流引線(xiàn)，兩根為電壓引線(xiàn)。由于兩根電壓引線(xiàn)與樣品的接點(diǎn)處在兩根電流引線(xiàn)的接點(diǎn)之間，因此排除了電流引線(xiàn)與樣品之間的接觸電阻對(duì)測(cè)量的影響。這樣得到的電壓測(cè)量值比較準(zhǔn)確[15]。

圖3 四引線(xiàn)法原理示意Fig.3 Illustration of four probe method

圖4 臨界電流測(cè)試系統(tǒng)的組成示意Fig.4 Structure of critical current testing system

臨界電流的測(cè)試系統(tǒng)組成如圖4所示。程控電流源受工控機(jī)程序控制產(chǎn)生按一定速率穩(wěn)定增加的電流，給在液氮浸泡中達(dá)到超導(dǎo)態(tài)的線(xiàn)圈供電。電流源產(chǎn)生的電流值由分流器轉(zhuǎn)化為電壓值進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)采集線(xiàn)圈兩端的電壓值，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。測(cè)試系統(tǒng)采用LABVIEW軟件實(shí)現(xiàn)控制，可以得到試驗(yàn)的電壓-電流(U-I)曲線(xiàn)。為了保護(hù)線(xiàn)圈，防止其燒壞，在線(xiàn)圈達(dá)到失超的電壓判據(jù)1 μV/cm時(shí)，程序自動(dòng)識(shí)別并開(kāi)始按一定速率降低電流，同時(shí)得出臨界電流IC。

2.3 臨界電流特性測(cè)量試驗(yàn)

(1)磁線(xiàn)圈整體臨界電流特性

線(xiàn)圈整體長(zhǎng)度為420 m，根據(jù)失超的電壓判據(jù)，當(dāng)線(xiàn)圈兩端電壓達(dá)到42 mV時(shí)，即說(shuō)明達(dá)到了失超狀態(tài)。試驗(yàn)測(cè)得了超導(dǎo)線(xiàn)圈在不同掃描電流dI/dt時(shí)得到的U-I曲線(xiàn)如圖5所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在77 K液氮工作溫度時(shí)，線(xiàn)圈的臨界電流值在45 A左右，中心磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.195 T，基本滿(mǎn)足了0.2 T的磁場(chǎng)要求。另外，試驗(yàn)過(guò)程中，dI/dt大小的不同，使得測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生差別。加載電流速度0.1 A/s時(shí)測(cè)得的臨界電流值比0.2 A/s時(shí)高了3.6%。由此可得，電流增加速度越大，測(cè)得的臨界電流值越小。

感生電動(dòng)勢(shì)是產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因。因?yàn)樽兓碾娏鲿?huì)在電壓測(cè)量回路中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，其值與電流變化的速度成正比。圖5中電流增加過(guò)程中基本保持不變的線(xiàn)圈電壓就是由電流變化引起的感生電勢(shì)。因此，臨界電流測(cè)量時(shí)，選取的電流加載速度dI/dt越小，測(cè)得的數(shù)值越準(zhǔn)確。

圖5 不同dI/dt下測(cè)得的超導(dǎo)線(xiàn)圈U-I曲線(xiàn)Fig.5 HTS coil U-I curve at various dI/dt

表3 線(xiàn)圈整體測(cè)量數(shù)據(jù)Table 3 Total coil measurement data

(2)磁線(xiàn)圈分層臨界電流特性

由于Bi-2333/Ag高溫超導(dǎo)帶材帶寬的限制，高度30 mm的超導(dǎo)線(xiàn)圈分為3層，圖6是超導(dǎo)線(xiàn)圈的分層示意。圖7是對(duì)各層的臨界電流分別進(jìn)行了測(cè)量得到的U-I曲線(xiàn)，試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)如表4所示。測(cè)量時(shí)電流的加載速度均為0.1 A/s，判斷失超電壓為14 mV。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同層分別測(cè)到的臨界電流IC值存在差別，其中以中間層得到的IC值最大，達(dá)到了49 A。第1、3層較中間層IC值偏低，分別為43.5 A和46.2 A。

圖6 線(xiàn)圈分層示意Fig.6 Representation of coil layers

圖7 線(xiàn)圈不同層測(cè)得的U-I曲線(xiàn)Fig.7 Measured U-I curve at different layers

高溫超導(dǎo)帶材的各向異性是產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因[16]。高溫超導(dǎo)材料的層狀結(jié)構(gòu)及晶粒之間的弱連接導(dǎo)致高溫超導(dǎo)體具有強(qiáng)的各向異性。由于不同層級(jí)的帶材所處的磁場(chǎng)環(huán)境不同，受到的線(xiàn)圈自身磁場(chǎng)的影響亦不相同，導(dǎo)致其臨界電流值不同。垂直于帶面的磁場(chǎng)對(duì)超導(dǎo)帶的負(fù)面影響最大，平行于帶面的磁場(chǎng)有利于提升超導(dǎo)帶的電磁特性。中間層受到的磁場(chǎng)軸向平行度明顯要好于第1、3層，而第1、3層線(xiàn)圈受到的垂直磁場(chǎng)高于中間層。所以測(cè)得的中間層電磁特性最好，臨界電流值比第1層高12%。而第1、3層由于受到的自身磁場(chǎng)磁通方向不同，導(dǎo)致IC值存在6.2%的差別。

表4 不同層線(xiàn)圈在dI/dt為0.1 A/s時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)Table 4 Measurement data of different layers at 0.1 A/s charging rate

(3)無(wú)鐵板磁線(xiàn)圈臨界電流特性

聚磁鐵板有導(dǎo)磁和支撐的作用，對(duì)于提升高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈性能是一種十分經(jīng)濟(jì)的做法。本文分別測(cè)量了有無(wú)鐵板時(shí)的電磁特性，得到的U-I曲線(xiàn)如圖8所示。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，聚磁鐵板對(duì)于線(xiàn)圈性能的提升效果明顯。同樣電流掃描速度dI/dt情況下，無(wú)鐵板時(shí)線(xiàn)圈的IC值只有30.8 A，比加鐵板時(shí)降低了42%。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是鐵板的導(dǎo)磁性提升了線(xiàn)圈內(nèi)部磁場(chǎng)的軸向平行度，減小了垂直于帶材的磁場(chǎng)分量。根據(jù)高溫超導(dǎo)帶材各向異性的特性可知，鐵板能提高超導(dǎo)線(xiàn)圈的臨界電流和中心磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)。

圖8 有無(wú)鐵板時(shí)測(cè)得的U-I曲線(xiàn)Fig.8 Measured U-I curve with and without iron plates

3 線(xiàn)圈仿真及鐵板設(shè)計(jì)優(yōu)化

聚磁鐵板使超導(dǎo)磁線(xiàn)圈電磁特性提升的同時(shí)，帶來(lái)的質(zhì)量增加卻阻礙了它在A(yíng)F-MPDT上的實(shí)際應(yīng)用。增加高溫超導(dǎo)帶材纏繞的匝數(shù)也可以提升磁線(xiàn)圈的電磁特性，包括臨界電流和中心場(chǎng)強(qiáng)，但會(huì)帶來(lái)超導(dǎo)線(xiàn)材成本的大量增加，并且對(duì)冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求。因此采用聚磁鐵板是一種十分經(jīng)濟(jì)的做法，這就需要對(duì)鐵板進(jìn)行以降低質(zhì)量為目的的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文采用電磁場(chǎng)的仿真分析方法。

3.1 線(xiàn)圈仿真模型

由于線(xiàn)圈是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，所以仿真計(jì)算建立二維模型即可，建立的模型如圖9所示。支撐銅板的厚度為2 mm，起到保護(hù)和支撐超導(dǎo)線(xiàn)圈的作用。仿真得到的磁場(chǎng)線(xiàn)如圖10、圖11所示。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，加鐵板之后的線(xiàn)圈內(nèi)部磁場(chǎng)的軸向平行度增大，徑向磁場(chǎng)分量明顯降低，解釋了試驗(yàn)測(cè)得的臨界電流值的差別。同時(shí)，中心磁場(chǎng)測(cè)得值為0.21 T，與試驗(yàn)測(cè)量值0.195 T相接近，也證明了仿真結(jié)果的正確性。

圖9 仿真模型結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of simulation model

圖10 無(wú)鐵板時(shí)線(xiàn)圈磁感線(xiàn)分布Fig.10 Magnetic flux distribution of the coil without iron plates

圖11 有鐵板時(shí)線(xiàn)圈磁感線(xiàn)分布Fig.11 Magnetic flux distribution of coil with iron plates

3.2 聚磁鐵板優(yōu)化設(shè)計(jì)

仿真研究了在相同加載電流(47 A)情況下，聚磁鐵板對(duì)磁場(chǎng)區(qū)域的軸向平行磁場(chǎng)平均值B‖ave、中心磁場(chǎng)的大小Bct和線(xiàn)圈區(qū)域的徑向垂直磁場(chǎng)最大值B⊥max的影響規(guī)律。由先前的附加磁場(chǎng)研究可知，平行于軸線(xiàn)的磁場(chǎng)對(duì)等離子體能發(fā)揮更優(yōu)的磁場(chǎng)加速作用。同時(shí)，線(xiàn)圈帶材的電磁特性受到垂直于帶面的徑向垂直磁場(chǎng)影響較大，所以取B‖ave、B⊥max為優(yōu)化的參數(shù)。Bct也是衡量附加電磁線(xiàn)圈性能的重要參數(shù)。

在原來(lái)鐵板尺寸的基礎(chǔ)上，分別對(duì)外徑D、厚度h和間隙c進(jìn)行了仿真分析，研究D、h和c分別變化時(shí)對(duì)B‖ave、Bct和B⊥max的影響規(guī)律。得出的曲線(xiàn)如圖12～14所示。

由圖12～14可有如下結(jié)論：

1)外徑D和厚度h的增加有利于B‖ave和Bct的增大，其中受D的影響較明顯；

2)間隙c的增加會(huì)降低Bct和B‖ave，不利于提高線(xiàn)圈的電磁加速性能；

3)B⊥max與厚度h和間隙c負(fù)相關(guān)，與外徑D總體是正相關(guān)的，但曲線(xiàn)存在波動(dòng)。其中間隙c對(duì)B⊥max的影響十分明顯。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，聚磁鐵板尺寸越大越有利于提升B‖ave和Bct值，然而卻會(huì)帶來(lái)顯著的質(zhì)量增加。以降低質(zhì)量為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)只能是盡可能降低線(xiàn)圈磁場(chǎng)的損失。通過(guò)比較分析，并結(jié)合工程實(shí)際，選擇間隙4 mm、外徑223 mm、厚度4 mm作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案。優(yōu)化方案與之前的設(shè)計(jì)進(jìn)行比較可知，Bct、B‖ave分別降低了5.8%和8.1%。同時(shí)總質(zhì)量m降低了73.8%，優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案在較小損失Bct和B‖ave的情況下，大幅度降低了聚磁鐵板的質(zhì)量。與此同時(shí)降低B⊥max達(dá)33.1%，優(yōu)化了電磁特性。

圖12 B‖ave與D、h和c的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.12 Relationship between B‖ave and D，h，c

圖13 Bct與D、h和c的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.13 Relationship between Bct and D，h，c

圖14 B⊥max與D、h和c的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.14 Relationship between B⊥max and D，h，c

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)應(yīng)用于A(yíng)F-MPDT上的高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈進(jìn)行電磁特性設(shè)計(jì)和測(cè)量分析。根據(jù)電輸運(yùn)原理建立了超導(dǎo)線(xiàn)圈臨界電流IC的測(cè)試系統(tǒng)。隨后本文通過(guò)仿真研究了聚磁鐵板的尺寸與位置對(duì)線(xiàn)圈磁場(chǎng)的影響。由試驗(yàn)和仿真可得如下結(jié)論：

1)試驗(yàn)測(cè)得在0.1 A/s的充電速率下，線(xiàn)圈的臨界電流為45.6 A，中心磁場(chǎng)達(dá)到0.2 T。基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2)超導(dǎo)磁線(xiàn)圈的臨界電流值受到包括電流加載速度、線(xiàn)圈自身磁場(chǎng)等的影響。測(cè)量臨界電流時(shí)應(yīng)盡量采取小的升流速度。設(shè)計(jì)超導(dǎo)線(xiàn)圈時(shí)應(yīng)使磁場(chǎng)的軸向平行度提高。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)聚磁鐵板的有無(wú)對(duì)IC影響較為明顯，造成的差異高達(dá)42%。

3)通過(guò)對(duì)高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈聚磁鐵板的仿真計(jì)算，本文提出了一種優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。在較低磁場(chǎng)損失的情況下，降低鐵板的質(zhì)量高達(dá)73.8%，取得較好的優(yōu)化效果。

References)

[1] 肖歆昕，李文皓，張珩，等.低軌航天器磁推進(jìn)及其能力估算[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2013，33(6)：67-73.

XIAO X X，LI W H，ZHANG H，et al.Spacecraft magnetism propulsion and its capability estimation[J].Chinese Space Science and Technology，2013，33(6)：67-73(in Chinese).

[2] KODYS A D，CHOUEIRI E Y.A critical review of the state-of-the-art in the performance of applied-field magnetoplasmadynamic thrusters[C].41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit，Tucson，July 10-13，2005：AIAA：55-78.

[3] FRADKIN D B，BLACKSTOCK A W，ROEHLING D J，et al.Experiments using a 25-kW hollow cathode lithium vapor (mpd) arcjet[J].AIAA Journal，1970，8(5)：886-894.

[4] EIMURA I，ARAKAWA Y.Effect of applied magnetic fields on physical processes in an MPD arcjet[J].AIAA Journal，1977，15(5)：721-724.

[5] TAHARA H，KAGAYA Y，YOSHIKAWA T.Effects of applied magnetic fields on performance of a quasisteady magnetoplasmadynamic arcjet[J].Journal of Propulsion and Power，1995，11(2)：337-342.

[6] JAMES S S，MARIS A M.Performance and lifetime assessment of magnetoplasmadynamic arc thruster technology[J].Journal of Propulsion and Power，1991，7(1)：71-83.

[7] REY C M.Design and fabrication of an HTS magnet for the VASIMR experiment[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2002，12(1)：993-996.

[8] TIKHONOV V B，SEMENIKHIN S A，BROPHY J R，et al.Performance of 130 kW MPDT with an external magnetic field and Li as propellant[C]//25th International Electric Propulsion Conference，Cleveland,IEPC,August 24-28,1997：728-733.

[9] TAHARA H，KAGAYA Y，YOSHIKAWA T.Effects of applied magnetic fields on performance of a quasisteady magnetoplasmadynamic arcjet[J].Journal of Propulsion and Power，1995，11(2)：337-342.

[10] TAHARA H，KAGAYA Y，YOSHIKAWA T.Perfor-mance and acceleration process of quasisteady magnetoplasmadynamic arcjets with applied magnetic fields[J].Journal of Propulsion and Power，1997，11(5)：651-658.

[11] KRULLE G，ZEYFANG E.Preliminary conclusions of continuous applied field electromagnetic thruster research at DFVLR,AIAA-75-417[R].Reston：AIAA，1975.

[12] 林良真.超導(dǎo)電性及其應(yīng)用[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2001：102-105.

LIN L Z.Superconductivity application[M].Beijing：Beijing University of Technology Press，2001：102-105 (in Chinese).

[13] 郭志超，索紅莉，劉志勇，等.超導(dǎo)臨界電流測(cè)量方法與原理[J].功能材料，2010(12)：2041-2044.

GUO Z C，SUO H L，LIU Z Y，et al.Superconducting critical current measurement methods and principles[J].Journal of Functional Materials，2010(12)：2041-2044(in Chinese).

[14] 彭海軍.YBa2Cu3O7-δ薄膜的微細(xì)圖形化及其臨界電流密度的測(cè)試[D].西安：西安理工大學(xué)，2008.

PENG H J.Fine patterning YBa2Cu3O7-δfilms and their critical current density[D].Xi′an :Xi′an University of Technology，2008(in Chinese).

[15] 諸嘉慧，丘明，田軍濤.一種新型YBCO高溫超導(dǎo)帶材臨界電流特性測(cè)試方法[J].西安：低溫與超導(dǎo)，2009(5)：16-19.

ZHU J H，QIU M，TIAN J T.A novel method on the critical current test of YBCO HTS tape[J].Cryogenics & Superconductivity，2009(5)：16-19(in Chinese).

[16] 王超，黃暉，宋守森，等.Bi-2223/Ag高溫超導(dǎo)帶臨界電流各向異性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量及分析[J].低溫物理學(xué)報(bào)，2004(3)：237-242.

WANG C，HUANG H，SONG S S，et al.Experimental masurement and analysis on anisotropy characteristic of the critical current in Bi-2223/Ag HTS tapes[J].Chinese Journal of Low Temperature Physics，2004(3)：237-242(in Chinese).

(編輯：車(chē)曉玲)

Electromagneticpropertiesanalysisonsuperconductingmagnetcoilformagnetoplasmadymamicthruster

YAO Lu，YANG Wenjiang*，ZHANG Tao，WANG Baojun，TANG Haibin

SchoolofAstronautics，BeihangUniversity，Beijing100191，China

In engineering applications，the traditional water-cooled copper magnet coils providing applied field have many defects such as large volume，big mass and high power dissipation，so the application of tiny volume and small mass high temperature superconductor (HTS) coils on applied-field magnetoplasmadynamic thruster (AF-MPDT) is focused on.An HTS coil by Bi-2333/Ag was designed to satisfy the demand of 0.2 T center magnetic field strength which consists of three double pancake coils.The HTS coil is 30 mm in height，with a 160 mm inner diameter.To study the electromagnetic properties of the coil，a critical current testing system was built based on the principle of electric transport method.The experimental results show that different pancakes have different critical currentIC，and middle pancake has the highestICvalue.The iron plates have positive influence on the coil electromagnetic properties，and can improveICvalue by 42%.Meanwhile，using electromagnetic simulation method，the effect of iron plates size and position on the performances of the HTS coil was researched，and an optimized design was summarized.

magnetoplasmadynamic thruster；high temperature superconductor coil；critical current measurement；electromagnetic simulation；optimal design

http://zgkj.cast.cn

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0069

V439+.4

A

2017-04-28；

2017-07-19；錄用日期2017-09-12；< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2017-09-24 16：01：01

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170924.1601.003.html

國(guó)家自然科學(xué)青年基金(11302008)

姚露(1994-)，男，碩士研究生，buaayaolu@qq.com，研究方向?yàn)殡姶磐七M(jìn)與超導(dǎo)線(xiàn)圈

*通訊作者：楊文將(1979-)，男，副教授，yangwjbuaa@buaa.edu.cn，研究方向?yàn)殡姶磐七M(jìn)與超導(dǎo)技術(shù)

姚露，楊文將，張濤，等.磁等離子發(fā)動(dòng)機(jī)超導(dǎo)附加線(xiàn)圈的電磁特性分析[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2017，37(5)：1-8.YAOL，YANGWJ，ZHANGT，etal.Electromagneticpropertiesanalysisonsuperconductingmagnetcoilformagnetoplasmadymamicthruster[J].ChineseSpaceScienceandTechnology，2017，37(5)：1-8(inChinese).