大高徑比霍爾推力器的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、霍爾推力器是一種具有高比沖、高效率及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)的電推進(jìn)裝置，已經(jīng)廣泛用于衛(wèi)星姿態(tài)控制、軌道修正和轉(zhuǎn)移、動(dòng)力補(bǔ)償?shù)榷喾N航天任務(wù)。豐富并且成功的飛行應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)證明霍爾推力器具有作為未來航天主推進(jìn)裝置的優(yōu)勢。因此，研制高功率，高性能指標(biāo)的霍爾推力器成為其發(fā)展的主流方向之一。由于目前以相似理論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出的霍爾推力器普遍具有窄放電通道，大體積，高重量等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得高功率霍爾推力器結(jié)構(gòu)不夠優(yōu)化，整體推重比較小。同時(shí)，霍爾推力器工作時(shí)還存在等離

2、子體聚焦水平低，器壁腐蝕和羽流發(fā)散嚴(yán)重的現(xiàn)象，這些都成為制約霍爾推力器推廣應(yīng)用的瓶頸。所以綜合考慮對推力器結(jié)構(gòu)減重、突破壁厚決定壽命的限制以及有效抑制羽流發(fā)散等實(shí)際問題，首次提出了大高徑比（通道寬度與通道內(nèi)徑之比）霍爾推力器的設(shè)計(jì)理念。
　　本文對比了廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的透平機(jī)械與霍爾推力器之間的相似之處，并充分調(diào)研、類比了透平機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程，對大高徑比設(shè)計(jì)思想的提出進(jìn)行了詮釋。根據(jù)霍爾推力器中的基本物理過程給出大高徑比設(shè)

3、計(jì)特點(diǎn)的一般性概念及特征參數(shù)的定義方式。在此基礎(chǔ)上提出由大高徑比設(shè)計(jì)特點(diǎn)引發(fā)的一些關(guān)鍵性問題，為后續(xù)研究指明方向。
　　文中的研究重點(diǎn)是對大高徑比設(shè)計(jì)特點(diǎn)所引發(fā)的一系列問題進(jìn)行逐一解決。首先，在大高徑比霍爾推力器中通道寬度增加是其顯著特征之一。這一變化將會削弱推力器的壁面效應(yīng)從而對電離特性產(chǎn)生影響。本文在分析電離特性影響因素的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的表征參數(shù)。通過設(shè)計(jì)變通道寬度實(shí)驗(yàn)獲得了寬度增加后電離參數(shù)的主要變化規(guī)律。結(jié)合基于蒙特卡

4、洛碰撞方法的二維粒子模擬結(jié)果分析了壁面寬度在影響電子能量平衡過程中的重要作用，解釋了電離區(qū)寬度、位置等參數(shù)隨壁面效應(yīng)差異而發(fā)生變化的原因。
　　其次，針對大高徑比設(shè)計(jì)使環(huán)形效應(yīng)增強(qiáng)進(jìn)而對加速特性產(chǎn)生影響的物理問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方面的研究。明確了反映加速特性的兩個(gè)基本要素，即加速區(qū)強(qiáng)電場建立和離子運(yùn)動(dòng)。得到了不同環(huán)形效應(yīng)下的離子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和分布特性。根據(jù)電場形成對電子運(yùn)動(dòng)的依賴關(guān)系，分析了磁場徑向分布差異對電子周向漂移和軸向傳導(dǎo)

5、運(yùn)動(dòng)的影響，找到了由環(huán)形效應(yīng)加劇而使加速特性變差的原因，并闡明了相應(yīng)的物理機(jī)制。
　　再次，研究了霍爾推力器通道內(nèi)和羽流區(qū)的離子束流聚焦問題，重點(diǎn)研究了利用磁場設(shè)計(jì)優(yōu)化手段控制離子運(yùn)動(dòng)的方法。提出了磁場形貌的兩個(gè)定量化表征參數(shù)，即磁力線曲率和傾斜角，研究了曲率與放電電壓之間的匹配關(guān)系以及傾斜角控制羽流狀態(tài)的方法，對抑制離子徑向流動(dòng)起到了積極作用。
　　最后，在建立離子一維徑向運(yùn)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，研究了參數(shù)徑向分布不對稱與高徑比