宽范围工作特性霍尔推力器设计及研究

发布时间：2020-08-15 16:19

【摘要】：随着空间电推进技术的发展和全电推进技术的提出,电推力器逐渐由单一的辅助推进扩展到了主推进,其功能从单一化迈向了多元化。传统霍尔推力器由于自身结构及功能的限制,已无法满足未来航天器的多样化推进任务需求,发展具有宽范围工作特性的霍尔推力器技术刻不容缓。实现推力器宽参数范围高效工作的核心科学问题是推力器电离加速过程中等离子体分布的调控问题,最关键的着手点则在于确保宽范围条件下工质的充分电离。基于此,本文设计了一款适用于宽参数范围工作的霍尔推力器原理样机,并就其宽范围工作特性开展了系列研究和探索,具体开展的主要工作如下:首先,本文以充分电离准则为理论基础,以适用于宽流量范围工作为核心目标完成了推力器原理样机HEP 100WR的设计。通过多磁极多线圈的磁路结构实现了磁场多自由度的灵活调控,其中磁场可轴向大范围移动的特征为有效控制电离区轴向位置奠定了基础。同时,连续渐扩的陶瓷通道结构提供了线性变化的通流截面,其与轴向位置可变的磁场相配合,有助于优化电离过程。通过实测验证,依据所提出的磁路调控方法,可以顺利获得所需目标磁场。其次,通过PIC仿真手段研究了HEP 100WR的电离加速过程及性能表现。发现通过调控磁场峰值的轴向位置可以有效控制电离区位置,当电离发生在通道内部通流截面较小的区域时电离效果大幅度提升。但较长的加速区间和较小的磁场曲率导致离子加速过程中壁面损失严重,使得低流量工况性能在磁场峰值内移后并未有明显提升。再次,通过实验手段掌握了HEP 100WR的性能变化规律,并结合探针测得的羽流参数对其内部机理进行了分析。发现HEP-100WR具有唯一的最优磁场位置工况点,且此时磁场峰值位置位于通道出口附近。与等截面通道霍尔推力器相比,HEP-100WR在中高流量工况下性能较佳,低工况性能表现并不理想。究其原因,二者均与工质的充分电离和离子的壁面碰撞损失密切相关。此外本文还关注了HEP-100WR的放电稳定性,实验结果表明该推力器在此方面具有优势。最后,为改善HEP-100WR的低流量工况性能,研究了通道构型对HEP-100WR放电特性的影响。发现增加通道直筒段长度可以提高通道内气体密度,促使高气体密度区域外延,有效促进工质的电离和电离区的外移,进而全面提高HEP-100WR的放电性能,然而此方式仅在低流量工况下效果明显。当推力器工作在中高流量工况时,通道内等离子体密度大幅度升高,离子的壁面损失迅速增加,电子近壁传导效应也会增强,进而使得推力器放电性能表现不佳。同时,陶瓷通道直筒段长度具有一个最优值,过短则难以提升电离和电离区外移效果,过长则会加剧离子的壁面碰撞损失,当HEP-100WR工作在最优通道构型下时,推力器宽范围工作性能及稳定工作区间均有明显提升。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V439.4
【图文】：

1 图 1-1 霍尔推力器结构原理示意图[1]结构如图 1-1 所示，其一般具有中空共轴结构。沿轴向方向的电场。阴极发射出电子，电子在电动，在此过程中被径向磁场磁化束缚在磁力线上磁场作用下沿圆周方向漂移形成闭合电子电流，工质原子发生碰撞，使工质原子电离产生离子和质量，具有较大的拉莫尔半径（米的数量级），，因此离子几乎不受通道内磁场的影响，在轴向产生反作用力为航天器提供动力。霍尔推力器作比于传统的化学推力器，具有结构简单、高比冲力器，具有功率、推力范围大，比冲适中，免于器现已成为世界各国降低航天器总质量、提高平

数范围工作的霍尔推力器设计的核心科学问题是推体分布的调控问题，而最关键的着手点则在于如何确电离。这个问题的解决将为保证推力器在宽参数范围解决手段，将是对现有霍尔推力器设计理念及设计方此类推力器的优化设计及后续研究供以借鉴。究现状及分析力器变工质流量的研究现状调节霍尔推力器推力的最有效手段之一。在同一电压线性关系。随着深空探测的任务需求及微小卫星的研推力器以及高效率的低功率霍尔推力器的研制工作方展方向均受到同一因素制约——低工质流量下放电效在中型霍尔推力器上也同样暴露出来，如图 1-2 所示力器进一步发展的技术瓶颈。

[12]。磁场通过约束电子分布来建立通道内的电导率分布，进而形成合理的电场分布来控制离子的运动，如图1-5所示。对磁场位形进行设计可以间接控制电导特性，这是等离子体放电装置中较为常用的一种设计手段，也是目前推力器中控制电导特性提高推力器性能的最为直接有效的手段。因为磁场的存在，电子才得以在陶瓷通道内停留足够长的时间，以便能够有效地离子化中性流并加速离子。而且，磁场形状引导带电粒子流，对离子聚焦起作用，影响推力器热负荷、腐蚀状况及羽流性能等。通过磁场位形的优化设计可以形成所需的通道电势降分布特性，进而提高推力器性能。图1-5 磁场对等离子体的控制作用示意图哈尔滨工业大学付海洋从磁场位形对电子运动影响的作用角度，指出了霍尔

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