霍尔效应推力器放电双稳态机理研究

实验发现霍尔效应推力器在自励磁模式下具有两个稳定的放电工作点,且运 行过程中在这两个工作点上往复跳变,很大程度上影响了推力器通道内等离子体的放 电物理过程及其综合性能.本文结合推力器放电磁安特性曲线与励磁电流曲线的相互关 系,给出了推力器放电双稳态特性形成的物理机理．在此基础上提出了通过改变励磁电 流曲线斜率,使推力器稳定工作于单放电工作点的方法,结合一维动态流体模型给予了物 理解释,并通过实验加以验证.     

磁场强度对霍尔推力器放电特性影响的实验研究

为探索霍尔推力器通道内优化磁场的标准,本文研究了磁场强度对其放电特性的影响规律.通过在保持磁场形貌不变（“聚焦”形）下改变磁场强度的大小,使用朗缪尔探针、光谱仪等测量手段分析了工作于不同磁安特性曲线段的推力器放电特性.研究表明：当磁场强度小于优化值时,电子横越磁场的传导以近壁传导机制为主;反之,当磁场强度大于优化值时,放电电流反常变化,而现有的电子输运传导机制不能解释这种现象. 关键词： 霍尔推力器 磁场强度 放电特性     

双阳极霍尔推力器效率及推力的模拟研究

为确定双阳极霍尔推力器中阳极电压分布对推力器效率及推力的影响,采用PIC三维数值模拟对双阳极结构霍尔推力器的放电过程进行了模拟。基于垂直分布的双阳极结构,得到了放电后离子羽流分布以及电子在放电区域的分布。通过对放电状态的模拟,计算得到了不同工况下的推力以及效率。在双阳极结构中第二阳极的电压增加会增大离子能量,但将影响电子约束,而过高的电压将引起电子密度减小。推力随着霍尔电流的增大而增大,但效率会随之减小,导致在提升推力的同时损失效率。     

真空背压对霍尔推力器放电特性影响的实验研究

真空背压的变化会改变进入霍尔推力器放电通道内的背景气体量,对工质的电离、电子的传导等物理过程产生影响,从而进一步影响到推力器的宏观放电特性.为分析真空背压对推力器放电的影响规律,通过向真空罐输入流量可控的氪气改变真空背压,在不同真空背压下测量通道内原子、离子的发光特性以及出口处离子流的伏安特性.分析结果表明:背景气体返流对通道内工质放电过程具有全局性的影响,提高背压会使通道内的电子温度降低、电离效率降低,并会在通道内形成一个新的电离区,且背压越高,该电离区距推力器阳极越近.     

霍尔推力器放电通道溅射腐蚀计算

为了预示霍尔推力器的寿命,建立了推力器粒子束放电通道的2维电磁场模型,模拟的推进剂为氙。利用PIC方法跟踪粒子在电磁场中的运动。磁场的求解采用拉普拉斯方程,电场的求解采用泊松方程。电子由阴极喷入通道,并在电磁场中与原子发生电离碰撞生成离子。在跟踪离子的过程中记录下撞击到内外壁面的离子个数、角度和能量。利用记录下的参数进行腐蚀计算,得到当溅射阈值能量分别为10,20,30,40,50 eV时通道壁面的腐蚀速率。推力器放电通道出口附近的最大腐蚀速率约为1.7×10-9 m/s。     

径向磁场对霍尔推力器性能影响的数值模拟研究

霍尔推力器由于推力密度大、结构简单等特点,在商业航天领域具有广泛的应用前景.为了进一步提升小功率霍尔推力器的性能,克服低轨卫星用小功率霍尔推力器性能受限于输入功率和最大磁场强度的问题,本文利用数值模拟和理论分析方法研究了霍尔推力器放电通道中径向磁场分布对推力器性能的影响.在轴向磁场分布和最大径向磁场强度一定的情况下,通过改变径向磁场梯度实现径向磁场对推力器性能影响的研究.结果表明,在放电参数、推进剂流率以及轴向磁场不变的情况下,加速区的电势随着径向距离的增加而减小.因此,靠近推力器放电通道内壁侧的径向磁场梯度越大,离子沿着轴向漂移到达推力器出口的动能越大,推力器的推力越大.本文的研究结果为霍尔推力器的磁场设计,性能优化提供了理论支撑.     

霍尔推力器磁场位形及其优化的数值研究

基于麦克斯韦方程,在轴对称假设下建立了霍尔推力器磁场的数学模型.用有限差分方法对模型进行了离散.给出了数值求解模型的迭代法.通过对模型的数值求解,得到了相应的数值结果.通过对所得数值结果的分析,研究了磁场线圈电流变化对霍尔推力器磁场位形的影响.通过调整磁场线圈电流的大小找到了理想磁场位形.研究表明,对于理想磁场位形,内通道的磁镜比在3—3.5之间,外通道的磁镜比在0.4—0.9之间;增加磁场线圈的电流,出口的磁场强度随着增加,但不能增加磁镜比.通道内部的磁场强度几乎不随着磁场线圈电流的变化而变化. 关键词： 霍尔推力器 磁场位形 磁场线圈电流 磁镜比     

LIPS-200离子推力器热特性模拟分析研究

为了对20cm口径LIPS-200环形会切磁场离子推力器的热设计研究提出优化建议,利用LIPS-200离子推力器内部放电能量沉积数学模型计算结果开展推力器的稳态和瞬态热分析,并进行热平衡试验加以验证。结果显示:当推力器处于稳态工作时,其内部磁钢的温度分布是影响推力器热设计的关键因素,而通过提高推力器内外部件的表面发射率,可以使内部关键部件温度降低50～60℃,相关热平衡试验验证结果与仿真分析结果基本吻合。     

LIPS-200离子推力器热特性模拟分析研究

为了对20 cm口径LIPS-200环形会切磁场离子推力器的热设计研究提出优化建议,利用LIPS-200离子推力器内部放电能量沉积数学模型计算结果开展推力器的稳态和瞬态热分析,并进行热平衡试验加以验证。结果显示：当推力器处于稳态工作时,其内部磁钢的温度分布是影响推力器热设计的关键因素,而通过提高推力器内外部件的表面发射率,可以使内部关键部件温度降低50~60 ℃,相关热平衡试验验证结果与仿真分析结果基本吻合。     

霍尔推力器中呼吸振荡激发机理及影响因素

呼吸振荡作为霍尔推力器中的一种低频、大振幅放电不稳定性,对推力器的性能及寿命有严重的影响.本文利用包含了离子径向扩散和电子壁面相互作用的双区“捕食者-被捕食者”(Predator-Prey, P-P)模型,对霍尔推力器中呼吸振荡的激发机理和影响因素开展了研究.研究结果表明,电子与壁面之间相互作用导致的能量耗散对呼吸振荡有抑制作用,而近阳极区的离子径向扩散对呼吸振荡有激发作用.依赖于近阳极区的离子径向扩散强度,模式振荡频率以及放电电流的振荡峰值呈现非单调变化的趋势.此外,在推力器放电通道长度一定的情况下,呼吸振荡的激发与电离区长度的变化无关,而振荡的频率(周期)随着电离区长度的增大而增大(减小).本文的研究结果将为霍尔推力器中呼吸振荡激发机理的认识以及呼吸振荡抑制新方法的提出提供理论支撑.     

ATON型Hall推力器缓冲区预电离问题研究

ATON是20世纪90年代新提出的一种Hall推力器设计方案,其中的缓冲区是ATON新采用的一种结构.本文对缓冲区的作用进行分析,在此基础上提出了采用附加电源提高缓冲区预电离率的方法.并采用PIC(Particle-in-cell)粒子模拟方法对这种设计方式的等离子体分布进行数值模拟.结果表明,通过增加缓冲区内的附加电压,能够有效地提高缓冲区预电离率.     

霍尔推进器中磁化二次电子对鞘层特性的影响

为进一步研究霍尔推进器壁面二次电子发射对推进器性能的影响,采用流体模型数值模拟了二次电子磁化效应的等离子体鞘层特性.得到二次电子磁化鞘层的玻姆判据.讨论了不同的磁场强度和方向、二次电子发射系数以及不同种类等离子体推进器的鞘层结构.结果表明:随器壁二次电子发射系数的增大,鞘层中粒子密度增加,器壁电势升高,鞘层厚度减小;鞘层电势及粒子密度随着磁场强度和方位角的增加而增加;而对于不同种类的等离子体,壁面电势和鞘层厚度也不同.这为霍尔推进器的磁安特性实验提供了理论解释. 关键词： 霍尔推进器 磁鞘 二次电子     

霍尔推进器壁面材料二次电子发射及鞘层特性

霍尔推进器放电通道等离子体与壁面相互作用形成鞘层,不同壁面材料的二次电子发射对推进器鞘层特性具有重要影响,本文针对推进器壁面鞘层区域建立二维物理模型,研究了氮化硼(BN)、碳化硅(SiC)和三氧化二铝(Al_2O_3)三种不同壁面材料的二次电子发射特性,在改进SiC材料二次电子发射模型的基础上,采用粒子模拟方法,讨论了壁面二次电子发射系数与电子温度和磁场强度的关系,研究了三种材料(BN,SiC和Al_2O_3)的鞘层特性,结果表明:修正的二次电子发射模型拟合曲线与实验曲线几乎一致;在相同电子温度下,三种材料(BN,SiC和Al_2O_3)的二次电子发射系数和壁面电子数密度依次增大,而鞘层电场和鞘层电势降依次减小,BN材料具有合适的二次电子发生射系数,使得霍尔推进器能在低电流下稳态工作。     

离子推力器空心阴极热特性模拟分析

对离子推力器空心阴极进行了热分析。利用ANSYS有限元软件对阴极罩开启/闭合状态下的空心阴极热启动过程和达到稳态工作时温度场分布进行了模拟,结果表明稳态工作时空心阴极内部能量主要损耗在热阻丝和阴极顶部分,并且阴极罩及热屏是降低空心阴极温度损耗提高其热效率的关键部件,采用阴极罩及热屏后使得空心阴极的总体温度值提升了2.3%～13.2%,其中发射体温度提升2.3%～4.2%,热实验得出的实验数据与模拟结果基本一致,研究结果对空心阴极的优化设计提供参考。     

A 200-W permanent magnet Hall thruster discharge with graphite channel wall

A 200-W Hall thruster was designed using permanent magnets placing the axial maximum magnetic field outside of the channel, and the anode/gas distributor as an integrated U-shaped structure. A split structure is adopted for the discharge channel to conveniently change the wall material. With the initial conditions that the anode mass flow is maintained at 0.8 mg/s, 1.0 mg/s and 1.2 mg/s over a voltage range of 150–400 V (at 50 V intervals), the discharge properties were determined for the two thruster models with the channel walls composed of graphite and boron nitride (BN). The results demonstrate that under identical operating parameters, the properties of the thruster with the graphite channel walls are similar to the properties of the thruster with the BN channel walls. The maximum difference of the discharge current between the two wall materials is 6.2%; the maximum difference of the thrust and the specific impulse is 3.3%, and that of the anode efficiency is 1.7% (absolute value). These differences are smaller than the corresponding parameter differences observed from changing wall materials in other common Hall thrusters.     

霍尔推进器中振荡鞘层对电子与壁面碰撞频率的影响研究

利用二维粒子模拟方法研究振荡鞘层对近壁电导的影响.研究结果表明,当二次电子发射系数大于1时,鞘层处于振荡状态.在振荡鞘层状态下,电子与壁面的碰撞通量沿平行与壁面方向剧烈的周期性振荡,振荡的波长为电子静电波波长量级,电子与壁面的碰撞频率高出经典鞘层状态下电子与壁面碰撞频率1—2个数量级,此时的碰撞频率对通道中电流的贡献不可忽略.振荡鞘层相对与经典鞘层增大了电子与壁面的碰撞频率,但是振荡鞘层的存在,仍然会使一部分慢电子无法穿越鞘层的势垒而打到壁面. 关键词： 霍尔推进器 振荡鞘层 二次电子