阳极层霍尔推力器设计及壁面侵蚀研究

摘要

在不久的将来，电推力器将会成为航天器的主要推进装置。载人火星、空间电站以及深空探测等大型航天任务的开展对电推力器的功率、比冲和寿命提出了更高的要求。相比于其他霍尔推力器而言，阳极层霍尔推力器通道更短，效率更高，寿命更长，并且可以设计成多级结构，能够满足大功率和超高比冲的应用需求。
　　通道长度、阳极结构、壁面材料以及通道内等离子体与壁面的相互作用对阳极层霍尔推力器的推力性能和寿命有着决定性的影响，本文围绕阳极层霍尔推力器的性能影响因素和壁面侵蚀进行深入研究，主要工作分为以下四个方面：
　　首先，调研国内外关于阳极层霍尔推力器的设计案例，根据1kW功率要求，设计出实验样机的磁场和通道结构，进而，针对设计出的实验样机进行了整机热分布计算与分析，提出了热设计优化方案，仿真结果表明，采用优化方案后推力器最高温度明显降低。
　　其次，对设计出的实验样机进行性能测试，研究了磁场、电压以及阳极工质流率对阳极层霍尔推力器的影响，确定了阳极层霍尔推力器的工作特性以及实验样机的最佳工况，即通道出口磁场强度最大值为0.03T，放电电压为300V，阳极工质流率4.92mg/s时，推力效率可达到50%以上。
　　然后，采用实验的方法研究了阳极层霍尔推力器的通道长度、空心阳极结构和壁面材料对推力器性能的影响，并就不同通道长度和空心阳极结构进行了PIC/MC模拟仿真，从物理机制上解释了这些参数变化对推力器性能产生影响的原因，得出结论：采用“渐扩型”空心阳极能使得电离区向阳极内部移动，通道长度5mm时推力器性能最优。
　　最后，采用实验和模拟计算相结合的方法对阳极层霍尔推力器中的壁面侵蚀问题进行了研究，根据壁面侵蚀原理对通道壁面形貌的演化规律建立了数学模型，运用惠更斯子波法研究了壁面侵蚀深度与推力器工作时间以及离子能量的关系，通过实验测量了壁面的侵蚀深度，计算了侵蚀速率，得出结论：壁面侵蚀速率随时间是渐变的，并且与离子能量非线性相关。

目录

第1章 绪 论

1.1课题的来源

1.2研究背景及意义

1.3国内外研究现状及分析

1.4论文的主要内容及章节安排

第2章 阳极层霍尔推力器实验样机设计

2.1引言

2.2 磁场设计方案

2.3 结构设计方案

2.4 整机热设计与优化方案

2.5 本章小结

第3章 阳极层霍尔推力器性能实验验证与分析

3.1 引言

3.2 实验设备简介

3.3 推力器电气连接方式

3.4 推力器性能实验研究与分析

3.5 推力器羽流诊断与分析

3.6 推力器性能比较与评估

3.7 本章小结

第4章 结构参数对阳极层推力器性能影响研究

4.1 引言

4.2 通道长度对推力器性能影响研究

4.3 阳极结构对推力器性能影响研究

4.4 壁面材料对推力器性能影响研究

4.5 本章小结

第5章 基于惠更斯子波法的壁面侵蚀研究

5.1 引言

5.2 壁面溅射侵蚀机理分析

5.3 壁面侵蚀速率与表面演化数学模型建立

5.4 惠更斯子波法预测表面演化

5.5 本章小结

结论

参考文献

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致谢

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