通道壁面材料布置及磁场对霍尔推力器放电特性影响研究

摘要

霍尔推力器是一种先进的电推力器，具有高效率、高精度及高比冲等优点，广泛应用于航天器的推进任务。霍尔推力器放电通道壁面材料的优化布置会对通道内等离子体物理过程产生影响，而磁场强度及磁场位形能够约束电子的轴向传导，控制推力器的电导率及电势分布，进而对其性能产生影响。由于放电通道等离子体与壁面相互作用强，需要进一步探索其物理机理，因此，研究霍尔推力器通道壁面材料布置及磁场优化具有重要意义。
　　本文根据霍尔推力器放电通道结构建立二维轴对称物理模型，采用粒子模拟方法数值研究了通道出口处分割高发射碳化硅材料对推力器放电特性的影响。结果表明:通道出口处分割高发射碳化硅绝缘材料使径向电势降及离子径向速度减小，壁面腐蚀减少。随分割长度增加，电子与壁面碰撞频率和电离率逐渐升高，电子温度逐渐降低，比冲略有升高，放电电流在分割长度达到5mm时急剧升高。与分割低发射绝缘壁面的研究结果进行对比，在分割长度为3mm时，分割高发射绝缘壁面放电电流相对较小，效率较高。
　　根据ATON型霍尔推力器磁场线圈参数，在保持磁场位形不变情况下，数值研究了磁场强度对通道放电特性的影响。结果表明:当推力器中轴线最大磁场强度小于0.020 T时，磁场无法有效地约束电子的轴向传导，电离主要发生在阳极附近。当推力器中轴线最大磁场强度大于0.020 T时，随着磁场强度的增大，电子温度、电离率和电子与壁面碰撞频率逐渐降低，离子径向速度逐渐增大，加速区先缩短后延长，放电电流先减小后增加，推力基本不变。当推力器中轴线最大磁场强度为0.028 T时，加速区最短，放电电流最小。
　　在改变磁场位形的情况下，数值研究了磁场位形对霍尔推力器通道等离子体放电特性的影响。结果表明:阳极附近垂直于壁面的磁场位形将电子束缚，导致电离区被压缩至阳极处，放电电流急剧减小，推力器不能维持放电。零磁场区的位置会影响电离区域及电离速率，当零磁场区位于通道内壁面附近时，放电电流明显增大，放电通道出口处电势内外分布不均匀导致外壁面处离子径向速度较大，壁面腐蚀增加。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 霍尔推力器壁面材料研究现状

1．4 霍尔推力器磁场研究现状

1．5 论文研究内容及章节安排

第2章 霍尔推力器全通道放电物理模型

2．1 引言

2．2 二维轴对称物理模型

2．2．1 麦克斯韦方程组

2．2．2 粒子碰撞模型

2．2．3 原子流体方程

2．2．4 二次电子发射模型

2．3 数值模拟方法

2．3．1 初始粒子布置

2．3．2 电荷网格分配方法

2．3．3 泊松方程数值求解

2．3．4 粒于运动方程数值求解

2．4 边界条件

2．5 计算流程

2．6 本章小结

第3章 分割高发射绝缘壁面材料对霍尔推力器放电特性的影响

3．1 引言

3．2 分割碳化硅绝缘材料对等离子体空间分布特性的影响

3．2．1 离子数密度及电势分布

3．2．2 离子径向速度分布

3．2．3 通道轴向加速电场及离子轴向速度分布

3．2．4 电子温度分布规律

3．3 电子与壁面碰撞频率及电离率分布特性

3．3．1 电子与壁面碰撞频率变化规律

3．3．2 电离率轴向分布特性

3．4 壁面分割长度对比冲和推力的影响

3．5 不同发射特性绝缘壁面分割效应的比较

3．6 本章小结

第4章 磁场强度对霍尔推力器性能影响研究

4．1 引言

4．2 不同磁场强度下粒子数密度及速度空间分布特性

4．2．1 粒于数密度及电势空间分布规律

4．2．2 离子径向速度空间分布

4．3 磁场强度对电子温度及电离率影响

4．3．1 电子温度空间分布

4．3．2 电子与壁面碰撞频率特性

4．3．3 电离率轴向分布特性

4．4 不同磁场强度放电电流及推力变化规律

4．5 本章小结

第5章 磁场位形对霍尔推力器放电特性的影响

5．1 引言

5．2 离子数密度及径向速度空间分布

5．3 电子数密度及电子温度空间分布

5．4 不同磁场位形下电离率轴向分布特性

5．5 磁场位形对放电电流的影响

5．6 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢