霍尔推力器内不同壁面材料诱导的近壁传导研究

摘要

霍尔推力器是通过电离推进剂，将电能转化为动能的一种电推进装置，目前应用较为广泛。由于其体积小、质量轻、精度高、推力小等特点，非常适合各种空间探测任务。因此，各国均针对霍尔推力器各个方面开展了大量研究以提高其性能。等离子体与壁面之间的相互作用是目前霍尔推力器通道内众多物理过程的研究重点，主要分为电子与壁面相互作用和离子与壁面相互作用两过程。这两个过程影响着通道内电势分布、壁面腐蚀等方面，从而影响霍尔推力器推力、比冲和推力器寿命等性能参数。其中电子与壁面相互作用时会出现壁面发射二次电子的现象，从而影响壁面鞘层动态特性和近壁传导过程，影响推力器性能。通道内壁面材料的二次电子发射特性是由其二次电子发射系数来表征的，本文主要在建立不同壁面材料二次电子发射模型的基础上，研究不同壁面材料对鞘层动态特性和近壁传导的影响，为优化推力器性能提供理论指导。
　　本文在A. I. Morozov二次电子发射模型基础上，深入研究了电子与壁面碰撞中的物理过程，结合二次电子发射系数实验数据对A. I. Morozov二次电子发射模型进行修正，建立了符合霍尔推力器通道内不同壁面材料发射特性的二次电子发射模型。
　　鞘层作为等离子体主流区域和壁面之间的过渡区域，对霍尔推力器性能有着重要影响。而由于鞘层实验测量比较困难，所以目前关于鞘层的实验研究较少。本文通过二维粒子模拟方法（2D+3V）建立鞘层模型，确立相应边界条件，重点研究通道壁面材料采用氮化硼、碳化硅、石墨和三氧化二铝时对氙气霍尔推力器壁面鞘层动态特性的影响。研究表明，二次电子发射系数越大的壁面材料，鞘层出现空间振荡时对应的电子温度越小。当鞘层发生空间振荡时，鞘层内周向电场和轴向电场数量级相当，要远大于时间振荡鞘层对应的周向电场。
　　电子与通道壁面碰撞时导致电子的稳定霍尔飘移运动被破坏，从而产生轴向电流，即为通道内近壁传导电流。这种轴向电流将影响电势分布，进而影响离子的轴向加速，影响霍尔推力器推力和比冲。本文通过粒子模拟方法（2D+3V）针对上述不同壁面材料对氙气霍尔推力器近壁传导的影响展开研究。研究表明，当鞘层为时间振荡鞘层时，近壁传导电流很小。当鞘层出现空间振荡时近壁传导电流大幅度增加。
　　目前，霍尔推力器推进剂主要采用氙气、氪气等，其中氙气应用最为广泛，但是氙气作为推进剂的成本较高，而氪气推进剂的经济性较好。由于目前关于氪气霍尔推力器的研究主要针对效率、比冲和推力等性能参数，而氪气霍尔推力器近壁传导过程研究较少。本文针对氪气霍尔推力器采用不同壁面材料对壁面鞘层动态特性和近壁传导过程的影响展开研究，为霍尔推力器性能优化提供理论指导。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3本文研究目的和主要研究内容

第2章 二次电子发射模型

2.1 引言

2.2 现有的二次电子发射模型

2.3 改进的二次电子发射模型

2.3 不同材料改进的二次电子发射模型

2.4 本章小结

第3章 不同壁面材料对鞘层动态特性的影响

3.1引言

3.2鞘层模型

3.3 不同壁面材料对鞘层动态特性的影响

3.4 本章小结

第4章 氙气霍尔推力器材料特性对近壁传导的影响

4.1 引言

4.2 通道内电子横越磁场的传导机制

4.3 二维近壁传导计算模型

4.4 壁面材料对氙气霍尔推力器近壁传导的影响

4.5 本章小结

第5章 氪气霍尔推力器材料特性对近壁传导的影响

5.1 氪气霍尔推力器研究意义和现状

5.2氙气和氪气霍尔推力器的近壁传导研究

5.3 壁面材料对氪气霍尔推力器鞘层特性和近壁传导的影响

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢