霍尔推进器腐蚀形成机理研究及其数值模拟

摘要

霍尔推进器以其高比冲、高效率及结构紧凑等优势迅速成为深空探测领域的首选电推进装置。深空探测需要推进器具有更长的寿命，而限制推进器寿命的主要原因是通道壁面腐蚀，因此壁面腐蚀问题成为霍尔推进器寿命问题的研究热点。霍尔推进器的壁面腐蚀分为常规腐蚀和反常腐蚀两种形式。目前对常规腐蚀的数值模拟均不同程度地简化了等离子体的动态模型或是忽略了壁面的腐蚀演化，同时工况条件对常规腐蚀影响的研究还存在欠缺。另一方面反常腐蚀作为霍尔推进器寿命后期的主要失效原因，其形成机理也一直不被理解。为了深入了解霍尔推进器壁面腐蚀机理并为工程设计优化提供理论依据，本文针对霍尔推进器的壁面腐蚀问题作了如下研究：
　　针对壁面动态演化耦合等离子体流动的物理模型需求，发展了一套壁面动态演化的浸入式有限元全粒子数值模拟算法。算法中除引入了与霍尔推进器各壁面条件相应的边界类型外，还加入了碰撞模块、加速模块和壁面动态演化模块以完整全面的模拟推进器壁面腐蚀行为。
　　通过上述程序模拟了等离子体运动耦合壁面动态演化的常规腐蚀过程，分析了常规腐蚀的减速腐蚀特征，得到了壁面常规腐蚀过程中各项物理参数的分布和演化趋势。结果表明随着常规腐蚀程度增加，通道电势降及离子密度均减小，而通道电子温度特别是壁面的电子温度有所上升。通过在上述模型中调用电荷交换碰撞模块，分析了电荷交换碰撞对通道各项物理参数分布和壁面常规腐蚀的影响。结果表明当考虑电荷交换碰撞后，通道内高能离子密度减少，壁面常规腐蚀情况有所减缓。通过调整模型中预电离率参数，研究了预电离率大小对通道物理特性分布及对通道壁面常规腐蚀的影响。结果表明预电离不会影响通道内主要物理特性，但由预电离引入的额外等离子体会加剧壁面的常规腐蚀。
　　本文以上述模拟结果为基础对主束流方向鞘层进行了深入研究。结果表明电子温度和离子垂直壁面漂移速度对鞘层有较大影响，而等离子体密度、离子平行壁面漂移速度及径向磁场对鞘层几乎没有影响；轴向振荡电场在电子温度较低的情况下能引起鞘层结构性振荡，当电子温度升高至约20eV时此种振荡将被抑制；二次电子发射在本文所关注的区域内对鞘层同样没有影响。
　　最后通过对反常腐蚀形貌特征和产生区域的深度剖析，本文提出了反常腐蚀可能存在自激励机制并进行了详细的论证。通过使用动态界面浸入式全粒子算法对周向鞘层进行建模分析，模拟了离子在周向漂移波作用下对壁面溅射作用的累积效应，从而给出了反常腐蚀激励源的来源；紧接着文中模拟了出现反常腐蚀激励源后壁面形貌演化过程，验证了反常腐蚀形貌的自激励过程。过程表明周向壁面出现反常腐蚀激励源后，壁面附近鞘层就会发生改变，在波行进方向的一侧壁面将会形成更低的电势并吸引更多的溅射离子，最终周向壁面将形成周向间隔为电子拉莫尔半径相当并与附近电势等势线完全匹配的形貌。除了径向起伏程度的变化，壁面在径向上还维持着整体的腐蚀下降且此腐蚀下降速率不会随时间或是周向壁面腐蚀程度的增加而减慢。另外，反常腐蚀激励源影响因素的分析结果表明电子温度的增加能够显著的增强激励源，轴向振荡电场则对激励源有微小的增强而离子垂直壁面漂移速度对激励源影响较小。当壁面存在由常规腐蚀形成的凹坑时，周向的腐蚀作用会先将此结构抹平，进而再按照上述激励源形成到演化的过程形成反常腐蚀形貌。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 霍尔推进器壁面腐蚀的研究现状及分析

1.3 霍尔推进器器壁腐蚀的主要影响因素

1.4 本文的主要研究内容和章节安排

第2章 基于动态界面的浸入式全粒子方法

2.1 引言

2.2 浸入式全粒子方法简介

2.3 等离子体模型简化及加速

2.4 等离子体边界条件和壁面处理

2.5 碰撞模块

2.6 引入加速模块的IFE-PIC程序验证

2.7 基于惠更斯子波法的动态界面模块

2.8 本章小结

第3章 霍尔推进器常规腐蚀的研究

3.1 引言

3.2 霍尔推进器通道常规腐蚀的模拟

3.3 CEX离子对霍尔推进器常规腐蚀的影响

3.4 预电离对霍尔推进器常规腐蚀的影响

3.5 本章小结

第4章 霍尔推进器工作过程中壁面鞘层的演化研究

4.1 引言

4.2 鞘层演化分析模型说明

4.3 等离子体参数变化对鞘层的影响分析

4.4 外加电磁场对鞘层的影响

4.5 壁面二次电子对鞘层的影响

4.6 本章小结

第5章 反常腐蚀形成机理及演化过程的研究

5.1 引言

5.2 反常腐蚀自激励机理分析

5.3 反常腐蚀自激励机理模拟研究

5.4 反常腐蚀激励源的影响因素分析

5.5 常规腐蚀微观形貌对反常腐蚀形成及演化的影响研究

5.6 常规腐蚀与反常腐蚀之间关系的分析

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果

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致谢

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