霍尔推力器放电通道壁面分割及磁屏蔽效应研究

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霍尔推力器具有高比冲、高效率及高可靠性等优点,现已被广泛应用于航天器的轨道提升、南北位保及姿态控制等推进任务,其放电通道等离子体与壁面相互作用强,面容比大,造成壁面腐蚀,影响推力器性能。近年来国内外研究人员针对霍尔推力器壁面材料和电磁场位形虽然做了大量科学研究工作,但由于通道等离子体放电过程十分复杂,其物理机理需进一步探索。本文针对霍尔推力器电离区不同位置布置石墨电极材料并采用磁屏蔽电磁场位形,研究等离子体束流聚焦过程及放电特性,为推力器壁面材料优化布置及磁场位形设计提供理论依据和方法。  本文根据霍尔推力器轴对称结构及放电过程建立二维物理模型,采用Particle-In-Cell(简称PIC)模拟方法研究了推力器通道电离区壁面分割偏压电极对电势、离子数密度分布及等离子体与壁面碰撞频率等放电特性的影响。结果表明:当分割电极偏压与阳极电压相等时,分割电极布置在电离区末端,加速区缩短,电势线与壁面趋于垂直,离子与壁面碰撞频率减小,推力器比冲增大;当分割电极偏压高于阳极电压18V且分割电极起始位置L0=19mm时,通道电势、粒子数密度及电子温度等放电参数发生突变,加速区轴向扩张,电离速率增大,离子聚焦效果明显,壁面腐蚀降低,比冲显著增大;当分割电极偏压高于阳极电压43V且分割电极起始位置L0=21mm时,离子与壁面碰撞频率增大,壁面腐蚀增加;将分割电极布置在电离区中心区域(L0=9,12mm)时,即使电极偏压增加到高于阳极60V等离子体放电参数也不发生改变。  霍尔推力器放电通道电磁场分布对等离子体束流的控制将直接影响推进效率。本文数值研究了不同磁屏蔽磁场位形下粒子与壁面碰撞频率,比冲及推功比等参数的变化规律。结果表明:对比于传统霍尔推力器磁场分布,在磁屏蔽磁场位形下通道电子温度升高,电子与壁面碰撞频率减小,比冲增大。特别在通道壁面均为磁屏蔽材料且零磁场区位于阳极附近磁场位形下通道出口轴向电场强度大,离子加速聚焦准直。
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