变截面通道霍尔推力器等离子体束聚焦机理研究

摘要

到目前为止，霍尔推力器作为一种应用广泛的静电推进装置，其工程设计理论已经非常成熟。对内部物理机制的认识已成为进一步提升性能的瓶颈。突变截面通道霍尔推力器解决了低流量下霍尔推力器工质利用率的问题，但是其羽流发散角较大制约了大范围的工程应用。本文从霍尔推力器工质电离及匹配磁场的角度，对变截面通道霍尔推力器的束聚焦问题进行了机理研究。　　本文首先给出了突变截面通道霍尔推力器对等离子体束聚焦的影响结果。通过突变截面通道对工质电离和匹配磁场的影响，本文对突变截面通道影响束聚焦的过程进行了理论分析。研究发现，突变截面通道内加剧了的工质电离导致了等离子体密度和电子温度的升高，而磁场的增大则导致了离子的磁化程度增大。两者影响了突变截面通道内束聚焦电势的形成，导致突变截面通道内等离子体束聚焦状况变差。通过突变截面通道的 PIC仿真发现，突变截面通道内确实形成了不利于等离子体束聚焦的电势分布。　　本文通过PIC仿真研究了突变截面通道对近壁传导的影响。研究发现，突变截面通道提升了突台两侧的近壁传导，并使突台两侧形成了通道内明显的近壁传导区域。　　本文通过PIC数值仿真手段研究了突变截面通道内流量与磁场强度对工质电离、通道内空间电势及近壁传导的影响规律。研究发现，流量降低后，工质电离向通道内移动，加速区和电离区交叠增大，加速区近壁传导相对降低；磁场强度降低后，工质电离向通道出口移动，加速区近近壁传导增强。　　本文参数化设计了自然腐蚀形貌通道，并对自然腐蚀形貌通道霍尔推力器进行了实验研究。实验发现，自然腐蚀形貌霍尔推力器的束聚焦状况大大提升。其综合性能较优。

目录

变截面通道霍尔推力器等离子体束聚焦 机理研究

STUDY ON THE MECHANISM OF PLASMA BEAM FOCUSING IN HALL THRUSTERS WITH VARIABLE CROSS-SECTION CHANNEL

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1课题来源

1.2研究背景及研究意义

1.2.1研究背景

1.2.2研究意义

1.3研究现状

1.3.1变截面通道霍尔推力器的研究现状

1.3.2霍尔推力器束聚焦的研究现状

1.4 本文主要内容及章节安排

第2章 通道截面变化影响束聚焦的实验及理论分析

2.1 引言

2.2 实验装置及参数测量方法

2.2.1 实验装置

2.2.2 参数测量方法

2.3 变截面通道的设计

2.4 通道截面变化对电离的影响研究

2.4.2 突变截面对原子数密度及电流分布的影响

2.4.3 突变截面通道对电离过程影响的理论分析

2.5 通道截面变化对匹配磁场的影响研究

2.5.1 霍尔推力器运行时的磁场

2.5.3 突变截面通道内匹配磁场影响的理论分析

2.6 通道截面变化对等离子体束聚焦的影响

2.6.1 突变截面通道对等离子体束聚焦的影响

2.6.2 突变截面通道对等离子体束聚焦的理论分析

2.7 本章小结

第3章 通道截面变化影响束聚焦的PIC仿真研究

3.1 引言

3.2 变截面通道霍尔推力器的PIC模拟简介

3.3 变截面通道霍尔推力器的PIC模型描述

3.3.1 突变截面通道霍尔推力器PIC模型的建立

3.3.2 突变截面通道霍尔推力器PIC模型的场分布

3.3.4 突变截面通道霍尔推力器PIC模型中的近壁传导

3.4 变截面通道霍尔推力器的PIC仿真结果

3.4.2 变截面突台高度的影响

3.4.3 变截面突台宽度的影响

3.4.4 流量的影响

3.4.5 磁场强度的影响

3.5 本章小结

第4章 能够实现束聚焦的变截面通道设计

4.1 引言

4.2 束聚焦的设计原则及寿命溅射实验的启示

4.2.1 束聚焦的设计原则

4.2.2 寿命溅射实验的启示

4.3 自然腐蚀形貌通道的放电性能实验

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果

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致谢