霍尔推进器放电通道壁面鞘层特性PIC模拟研究

摘要

霍尔推进器是在航天器空间推进领域占有重要地位的先进电推进装置，主要应用于实现航天器的姿态控制、位置保持、轨道转移等空间推进任务，具有高效率、高比冲、长寿命等优点。霍尔推进器放电通道壁面鞘层特性对其性能有重要影响。因此，深入研究霍尔推进器等离子体参数对壁面鞘层特性的影响，有助于明确放电通道内的重要物理现象及规律，进一步优化推进器的运行参数，从而提高发动机的稳定性和推进效率，为我国自主研制高性能霍尔推进器提供理论指导。
　　 本文在分析霍尔推进器放电通道内等离子体与壁面相互作用机理的基础上，根据放电通道的轴对称几何特点，建立二维物理模型，确立基本计算过程和边界条件，采用粒子模拟方法，研究不同磁场强度、电子温度、推进工质及离子入射速度对壁面鞘层特性影响的变化规律，讨论了粒子权重和模拟区域径向尺度大小对鞘层稳定性的影响。数值结果表明:磁场大小和方向对鞘层电势及壁面二次电子发射系数影响较小;当粒子权重大于106时，等离子体鞘层振荡明显，稳定性降低;当电子温度较低时（Te=18 eV），鞘层中电子数密度沿径向方向指数下降，鞘层电势降和电场径向分量变化量均较大，壁面电势维持一稳定值不变，鞘层稳定性好;当电子温度较高时（T(e)=36 eV），鞘层区内与鞘层边界处电子数密度基本相等，而在近壁面窄区域内迅速增加，鞘层电势变化缓慢，电势降和电场径向分量变化量均较小，壁面电势近似维持等幅振荡，鞘层稳定性降低;电子温度对电场轴向分量影响较小。随电子温度的增大，壁面二次电子发射系数先增大后减少;随着离子入射速度的增大，壁面二次电子发射系数增大，电子数密度的变化量、鞘层电势降及径向电场的变化量减小，但对轴向电场影响较小;对于氩、氪和氙三种工质，鞘层电势和二次电子发射系数依次降低;当边界条件不改变时，沿径向增大模拟区域尺度，壁面电势振荡加剧，计算结果发散。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景与意义

1．2 霍尔推进器的国内外研究现状

1．3 霍尔推进器壁面鞘层的国内外研究现状

1．4 霍尔推进器鞘层的数值模拟方法

1．5 论文研究内容及章节安排

第2章 霍尔推进器壁面二维鞘层模型及PIC模拟方法

2．1 引言

2．2 霍尔推进器壁面二维鞘层模型

2．2．1 物理模型

2．2．2 边界条件

2．3 PIC数值计算方法

2．3．1 粒子的初始位置及速度

2．3．2 粒子云分室法

2．3．3 泊松方程的数值计算

2．3．4 运动方程的数值计算

2．4 程序流程

2．5 本章小结

第3章 霍尔推进器壁面磁鞘特性的研究

3．1 引言

3．2 磁场方向对鞘层特性的影响

3．3 磁场大小对鞘层特性的影响

3．4 粒子权重与鞘层稳定性

3．5 本章小结

第4章 不同电子温度下等离子体鞘层特性的研究

4．1 引言

4．2 电子温度对鞘层特性的影响

4．3 不同电子温度的二次电子发射特性

4．4 本章小结

第5章 离子入射速度及推进工质对等离子体鞘层特性的影响

5．1 引言

5．2 不同离子入射速度的鞘层特性

5．3 不同推进工质的鞘层特性

5．4 模拟区域对鞘层稳定性的影响

5．5 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