霍爾推力器中勵(lì)磁與放電耦合振蕩研究.pdf

1、為適應(yīng)未來深空探測(cè)和星際旅行的技術(shù)需要，電推進(jìn)裝置取代傳統(tǒng)化學(xué)推力器已經(jīng)成為航天推進(jìn)領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)?；魻柾屏ζ魇请娡七M(jìn)的一種，作為典型的磁約束等離子體放電裝置其放電過程中必然伴隨著等離子體的各種不穩(wěn)定性問題，導(dǎo)致帶電粒子的損失或是輸運(yùn)系數(shù)的增大，因此研究等離子體的各種不穩(wěn)定性，闡明其物理機(jī)理、特性以及探索穩(wěn)定化方法，一直是磁約束等離子體物理研究的一個(gè)中心課題。
　　霍爾推力器是具有典型的?→E×?→B正交電磁場(chǎng)位形的磁約束等離

2、子體放電裝置，電子在磁場(chǎng)束縛下沿環(huán)形通道做周向的霍爾漂移運(yùn)動(dòng)是霍爾推力器的典型特征，也是霍爾推力器概念形成的關(guān)鍵。周向霍爾漂移電流的振蕩及其伴生物理效應(yīng)對(duì)霍爾推力器中等離子體放電過程以及推力器設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化的影響是值得關(guān)注的基礎(chǔ)物理問題。本文通過實(shí)驗(yàn)研究和理論分析的手段，以霍爾推力器中的等離子體振蕩問題為切入點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)過程中首次發(fā)現(xiàn)霍爾推力器中由于電磁耦合過程所形成的一種新的等離子體振蕩模式—-勵(lì)磁/放電耦合振蕩。圍繞這種新的等離子體振

3、蕩現(xiàn)象對(duì)其形成的物理機(jī)理、頻率特征、影響因素以及該振蕩對(duì)推力器磁場(chǎng)設(shè)計(jì)及性能的影響開展相關(guān)研究工作。
　　首先從全面認(rèn)識(shí)霍爾推力器中等離子體振蕩現(xiàn)象出發(fā)，針對(duì)推力器中幅值較大的放電低頻振蕩展開實(shí)驗(yàn)研究工作。在低頻振蕩特性方面，利用探針測(cè)量手段描繪了羽流區(qū)等離子體參數(shù)低頻振蕩特性：羽流區(qū)低頻振蕩是通道內(nèi)振蕩特性的表現(xiàn)，羽流區(qū)等離子體參數(shù)振蕩的頻率與放電低頻振蕩的頻率相同；在低頻振蕩時(shí)間尺度內(nèi)，羽流區(qū)等離子體密度的振蕩在周向上是同步的

4、，在軸向上的相位差與離子的定向移動(dòng)相關(guān)，表現(xiàn)為等離子體密度低頻振蕩在軸向上的傳播；一價(jià)離子由于電離過程相對(duì)二價(jià)離子更穩(wěn)定，因此一價(jià)離子振蕩與低頻振蕩頻率相同，而二價(jià)離子振蕩頻率復(fù)雜；在低頻振蕩抑制方面，研究了預(yù)電離機(jī)制對(duì)低頻振蕩的影響，提出緩沖腔預(yù)電離率的提高，提高了工質(zhì)進(jìn)入加速通道時(shí)離子的密度，相應(yīng)的降低了通道入口處原子的密度，削弱了通道內(nèi)電離過程的正反饋和負(fù)反饋的作用，是減小低頻振蕩的有效手段；在利用濾波器抑制低頻振蕩的研究中，首次

5、發(fā)現(xiàn)相同標(biāo)稱值的電感由于其不同的實(shí)際特性導(dǎo)致對(duì)霍爾推力器低頻振蕩的控制能力不同，研究了濾波器電感特性與低頻振蕩之間的關(guān)系，描繪適合推力器濾波器應(yīng)用的電感頻率特性。針對(duì)推力器中低頻振蕩特性、機(jī)理及抑制方法等相關(guān)問題的研究拓展了對(duì)霍爾推力器中等離子體振蕩問題的認(rèn)識(shí)，填補(bǔ)了霍爾推力器等離子體振蕩研究的空白。
　　其次，從霍爾推力器放電過程中典型的基礎(chǔ)物理效應(yīng)—霍爾漂移電流出發(fā)，在系統(tǒng)闡述霍爾推力器中靜態(tài)磁場(chǎng)位形設(shè)計(jì)的重要性及優(yōu)化磁場(chǎng)所具

6、有一般特征的基礎(chǔ)上，由電磁感應(yīng)原理，評(píng)估了霍爾漂移電流振蕩與勵(lì)磁回路感應(yīng)耦合對(duì)靜態(tài)磁場(chǎng)的影響程度，首次在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)由放電回路和勵(lì)磁回路耦合作用引起的霍爾推力器通道內(nèi)的一種新的等離子體振蕩模式—?jiǎng)?lì)磁/放電耦合振蕩。并通過變放電參數(shù)實(shí)驗(yàn)、開路線圈測(cè)量實(shí)驗(yàn)、通道內(nèi)測(cè)量實(shí)驗(yàn)等研究了勵(lì)磁/耦合振蕩的頻率特性，并結(jié)合線圈頻率特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)和理論分析闡明了勵(lì)磁/放電耦合振蕩的物理機(jī)理。
　　再次，通過串聯(lián)勵(lì)磁單因素分析手段結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法研

7、究了不同放電電壓、不同出口區(qū)最大磁場(chǎng)強(qiáng)度下，勵(lì)磁/放電耦合振蕩的強(qiáng)度變化規(guī)律。在分析帶電電流環(huán)周圍的磁場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上，首次在色散方程的推導(dǎo)中引入勵(lì)磁/放電耦合振蕩引起的磁場(chǎng)擾動(dòng)項(xiàng)，定義勵(lì)磁/放電耦合振蕩強(qiáng)度系數(shù)，推導(dǎo)了考慮勵(lì)磁/放電耦合振蕩的色散公式。分析了不同耦合振蕩強(qiáng)度系數(shù)下，不穩(wěn)定增長(zhǎng)率與放電參數(shù)的關(guān)系，其結(jié)果在趨勢(shì)上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。此外，通過對(duì)勵(lì)磁/放電耦合振蕩強(qiáng)度系數(shù)和色散關(guān)系的分析，結(jié)果表明勵(lì)磁/放電耦合振蕩強(qiáng)度與勵(lì)磁線

8、圈匝數(shù)、勵(lì)磁線圈導(dǎo)線橫截面積和導(dǎo)線電阻率相關(guān)；勵(lì)磁/放電耦合振蕩具有較大的周向波數(shù)且主要分布在幾MHz范圍內(nèi)，拓展了對(duì)勵(lì)磁/放電耦合振蕩特性的認(rèn)識(shí)。
　　最后，在對(duì)勵(lì)磁/放電耦合振蕩物理機(jī)理和特性全面認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，從霍爾推力器靜態(tài)磁場(chǎng)設(shè)計(jì)安匝等效原則的局限性入手，利用不同匝數(shù)線圈形成的不同的勵(lì)磁/放電耦合振蕩強(qiáng)度差異，研究了勵(lì)磁/放電耦合振蕩對(duì)推力器宏觀性能的影響規(guī)律。隨著勵(lì)磁/放電耦合強(qiáng)度的增加，磁場(chǎng)波動(dòng)的加劇，使霍爾推力器中電