大高徑比霍爾推力器的理論與實驗研究.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)點的電推進裝置，已經(jīng)廣泛用于衛(wèi)星姿態(tài)控制、軌道修正和轉移、動力補償?shù)榷喾N航天任務。豐富并且成功的飛行應用經(jīng)驗證明霍爾推力器具有作為未來航天主推進裝置的優(yōu)勢。因此，研制高功率，高性能指標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設計出的霍爾推力器普遍具有窄放電通道，大體積，高重量等結構特點，使得高功率霍爾推力器結構不夠優(yōu)化，整體推重比較小。同時，霍爾推力器工作時還存在等離

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

3、計特點的一般性概念及特征參數(shù)的定義方式。在此基礎上提出由大高徑比設計特點引發(fā)的一些關鍵性問題，為后續(xù)研究指明方向。
　　文中的研究重點是對大高徑比設計特點所引發(fā)的一系列問題進行逐一解決。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上，提出了相應的表征參數(shù)。通過設計變通道寬度實驗獲得了寬度增加后電離參數(shù)的主要變化規(guī)律。結合基于蒙特卡

4、洛碰撞方法的二維粒子模擬結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)隨壁面效應差異而發(fā)生變化的原因。
　　其次，針對大高徑比設計使環(huán)形效應增強進而對加速特性產(chǎn)生影響的物理問題進行了實驗和數(shù)值模擬方面的研究。明確了反映加速特性的兩個基本要素，即加速區(qū)強電場建立和離子運動。得到了不同環(huán)形效應下的離子運動特點和分布特性。根據(jù)電場形成對電子運動的依賴關系，分析了磁場徑向分布差異對電子周向漂移和軸向傳導

5、運動的影響，找到了由環(huán)形效應加劇而使加速特性變差的原因，并闡明了相應的物理機制。
　　再次，研究了霍爾推力器通道內和羽流區(qū)的離子束流聚焦問題，重點研究了利用磁場設計優(yōu)化手段控制離子運動的方法。提出了磁場形貌的兩個定量化表征參數(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起到了積極作用。
　　最后，在建立離子一維徑向運動模型的基礎上，研究了參數(shù)徑向分布不對稱與高徑比