霍尔推力器中励磁与放电耦合振荡研究

摘要

为适应未来深空探测和星际旅行的技术需要，电推进装置取代传统化学推力器已经成为航天推进领域发展的必然趋势。霍尔推力器是电推进的一种，作为典型的磁约束等离子体放电装置其放电过程中必然伴随着等离子体的各种不稳定性问题，导致带电粒子的损失或是输运系数的增大，因此研究等离子体的各种不稳定性，阐明其物理机理、特性以及探索稳定化方法，一直是磁约束等离子体物理研究的一个中心课题。
　　霍尔推力器是具有典型的?→E×?→B正交电磁场位形的磁约束等离子体放电装置，电子在磁场束缚下沿环形通道做周向的霍尔漂移运动是霍尔推力器的典型特征，也是霍尔推力器概念形成的关键。周向霍尔漂移电流的振荡及其伴生物理效应对霍尔推力器中等离子体放电过程以及推力器设计和性能优化的影响是值得关注的基础物理问题。本文通过实验研究和理论分析的手段，以霍尔推力器中的等离子体振荡问题为切入点，在实验过程中首次发现霍尔推力器中由于电磁耦合过程所形成的一种新的等离子体振荡模式—-励磁/放电耦合振荡。围绕这种新的等离子体振荡现象对其形成的物理机理、频率特征、影响因素以及该振荡对推力器磁场设计及性能的影响开展相关研究工作。
　　首先从全面认识霍尔推力器中等离子体振荡现象出发，针对推力器中幅值较大的放电低频振荡展开实验研究工作。在低频振荡特性方面，利用探针测量手段描绘了羽流区等离子体参数低频振荡特性：羽流区低频振荡是通道内振荡特性的表现，羽流区等离子体参数振荡的频率与放电低频振荡的频率相同；在低频振荡时间尺度内，羽流区等离子体密度的振荡在周向上是同步的，在轴向上的相位差与离子的定向移动相关，表现为等离子体密度低频振荡在轴向上的传播；一价离子由于电离过程相对二价离子更稳定，因此一价离子振荡与低频振荡频率相同，而二价离子振荡频率复杂；在低频振荡抑制方面，研究了预电离机制对低频振荡的影响，提出缓冲腔预电离率的提高，提高了工质进入加速通道时离子的密度，相应的降低了通道入口处原子的密度，削弱了通道内电离过程的正反馈和负反馈的作用，是减小低频振荡的有效手段；在利用滤波器抑制低频振荡的研究中，首次发现相同标称值的电感由于其不同的实际特性导致对霍尔推力器低频振荡的控制能力不同，研究了滤波器电感特性与低频振荡之间的关系，描绘适合推力器滤波器应用的电感频率特性。针对推力器中低频振荡特性、机理及抑制方法等相关问题的研究拓展了对霍尔推力器中等离子体振荡问题的认识，填补了霍尔推力器等离子体振荡研究的空白。
　　其次，从霍尔推力器放电过程中典型的基础物理效应—霍尔漂移电流出发，在系统阐述霍尔推力器中静态磁场位形设计的重要性及优化磁场所具有一般特征的基础上，由电磁感应原理，评估了霍尔漂移电流振荡与励磁回路感应耦合对静态磁场的影响程度，首次在实验中发现由放电回路和励磁回路耦合作用引起的霍尔推力器通道内的一种新的等离子体振荡模式—励磁/放电耦合振荡。并通过变放电参数实验、开路线圈测量实验、通道内测量实验等研究了励磁/耦合振荡的频率特性，并结合线圈频率特性测量实验和理论分析阐明了励磁/放电耦合振荡的物理机理。
　　再次，通过串联励磁单因素分析手段结合实验数据的处理方法研究了不同放电电压、不同出口区最大磁场强度下，励磁/放电耦合振荡的强度变化规律。在分析带电电流环周围的磁场分布的基础上，首次在色散方程的推导中引入励磁/放电耦合振荡引起的磁场扰动项，定义励磁/放电耦合振荡强度系数，推导了考虑励磁/放电耦合振荡的色散公式。分析了不同耦合振荡强度系数下，不稳定增长率与放电参数的关系，其结果在趋势上与实验结果完全吻合。此外，通过对励磁/放电耦合振荡强度系数和色散关系的分析，结果表明励磁/放电耦合振荡强度与励磁线圈匝数、励磁线圈导线横截面积和导线电阻率相关；励磁/放电耦合振荡具有较大的周向波数且主要分布在几MHz范围内，拓展了对励磁/放电耦合振荡特性的认识。
　　最后，在对励磁/放电耦合振荡物理机理和特性全面认识的基础上，从霍尔推力器静态磁场设计安匝等效原则的局限性入手，利用不同匝数线圈形成的不同的励磁/放电耦合振荡强度差异，研究了励磁/放电耦合振荡对推力器宏观性能的影响规律。随着励磁/放电耦合强度的增加，磁场波动的加剧，使霍尔推力器中电子电流增大，同时变化的磁场影响离子的束流方向，造成羽流发散角增大，导致推力器宏观性能降低。结合FEMM仿真软件，在P70型霍尔推力器上，评估了各线圈电流波动对静态磁场的影响程度，阐述了考虑励磁/放电耦合振荡效应的磁场设计原则。

目录

霍尔推力器中励磁与放电耦合振荡研究

RESEARCH ON COUPLING OSCILLATIONBETWEEN MAGNETIC FIELD ANDDISCHARGE IN HALL THRUSTERS

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第 1 章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.1.1 课题的来源

1.1.2 电推进是未来航天推进领域的发展趋势

1.1.3 磁场是影响霍尔推力器性能的重要因素

1.1.4 霍尔漂移电流及其伴生物理效应是重要的基础物理问题

1.2 霍尔推力器及其磁场设计研究现状

1.3 霍尔推力器中等离子体振荡研究现状

1.4 论文的主要研究内容及章节安排

第 2 章 霍尔推力器中的等离子体振荡问题

2.1 引言

2.2 霍尔推力器中的等离子体振荡

2.3 实验系统概述

2.3.1 真空系统及P70霍尔推力器

2.3.2 探针测量系统

2.3.3 其他测试设备

2.4 霍尔推力器中的放电低频振荡

2.4.1 羽流区等离子体参数的低频振荡特性

2.4.2 预电离机制对低频振荡的影响

2.4.3 滤波器特性对低频振荡的影响

2.5 霍尔推力器中的高频振荡

2.6 本章小结

第 3 章 霍尔推力器中的霍尔漂移电流及其伴生物理效应

3.1 引言

3.2 霍尔推力器中的霍尔漂移电流

3.2.1 电子周向漂移运动的建立是霍尔推力器概念形成的关键

3.2.2 霍尔漂移电流的探针测量

3.3 霍尔漂移电流的伴生物理效应

3.3.1 霍尔推力器中的静态磁场位型

3.3.2 霍尔漂移电流伴生的动态磁场

3.4 霍尔推力器中一种新的振荡模式--励磁/放电耦合振荡

3.4.1 励磁线圈电流振荡实验

3.4.2 励磁线圈的频率特性

3.4.3 励磁/放电耦合振荡机理的实验验证

3.5 本章小结

第 4 章 霍尔推力器中励磁/放电耦合振荡的特性

4.1 引言

4.2 励磁/放电耦合振荡与放电参数关系实验

4.2.1 实验条件和数据处理方法

4.2.2 振荡强度与放电参数关系实验结果分析

4.3 励磁/放电耦合振荡引起的磁场扰动的色散问题

4.3.1 带电电流环的空间磁场分布

4.3.2 励磁/放电耦合振荡引起的磁场扰动的处理

4.3.3 考虑磁场扰动的色散关系

4.4 励磁/放电耦合振荡的影响因素分析

4.5 本章小结

第 5 章 霍尔推力器中励磁/放电耦合振荡对推力器宏观性能的影响

5.1 引言

5.2 霍尔推力器静态磁场设计中安匝等效原则的局限性

5.3 励磁/放电耦合振荡对霍尔推力器性能的影响

5.3.1 励磁/放电耦合振荡对霍尔推力器放电特性的影响

5.3.2 励磁/放电耦合振荡对霍尔推力器羽流发散的影响

5.4 励磁线圈电流振荡对磁场影响的敏感性分析

5.4.1 外线圈安匝敏感性分析

5.4.2 内线圈安匝敏感性分析

5.4.3 附加线圈安匝敏感性分析

5.5 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

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历