霍尔推力器放电过程的光谱特性及光谱诊断方法研究

发布时间：2020-09-07 10:30

　　霍尔推力器作为先进的电推进装置,在航天领域有着广泛的应用。现在各种新类型霍尔推力器不断涌现,对它们工作机制的研究要求能够准确测量放电过程中的等离子体参数。传统的探针测量手段本身会对等离子体造成干扰、难以测量稠密等离子体区域并且不能测量中性组分,已经不能满足研究需求。发射光谱诊断方法从原理上可以避免探针测量的种种缺陷,但由于对推力器光辐射机理认识不全面,导致测量区域被局限在放电通道外部气体稀薄区域、测量粒子种类少且准确性较低,在推力器研究中的应用很有限。针对霍尔推力器等离子体发射光谱诊断存在的缺陷,本文将总结和分析推力器光谱特性变化规律,从关键粒子的动力学行为研究出发,构建各放电区域完善的光谱诊断模型,建立光谱诊断方法并进行误差评估,最终实现推力器稳态工作时各放电区域关键等离子体参数的定量准确测量和工作特性分析。霍尔推力器工作机制与普通的直流等离子体放电过程存在明显的差异,因此需要对推力器光谱特性变化规律进行系统的总结和分析,明确其光谱辐射动力学过程的特殊性。文中分别实验测量谱线强度在放电通道内和外部羽流区的分布,分析其在频域上的变化规律,得到不同放电区域谱线跃迁上能级角动量量子数和光子计数占比之间的关系,证实通道内外的电子能量分布函数存在差异。实验测量谱线强度在放电通道轴向上的分布情况并分析其空域变化规律,结合谱线频域特性,利用823.16 nm和828.01 nm原子谱线及484.43 nm离子谱线建立了划分推力器放电区域的光谱方法。实验研究光子在放电通道内外的传输特性,得到不同阳极流量条件下来自2p_6能级的两条谱线的分支系数比值变化规律,证实放电通道内亚稳态原子自吸收效应的存在,并结合自吸收理论计算得到谱线的光学厚度。实验研究发射光谱信号涨落现象,发现推力器稳态工作时谱线强度信号的起伏是由于发光机制的量子属性、等离子体振荡特性及光电转换器件噪声共同造成的,通过使用半导体制冷式CCD探测器kuro-sCMOS、对数据文件进行谱线中心波长附近的插值积分处理及取均值的方法,实现对信号强度起伏的抑制。对推力器羽流区光谱诊断常用的日冕模型及双谱线比诊断方法进行检验,模型中采用通过全相对论B样条R矩阵算法得到的最新氙原子作用截面数据。通过谱线残差分析和与探针结果的对比,证实日冕模型并不能准确描述羽流区光辐射过程。根据理论计算与实验测量结果的对比,发现离子的激发作用在羽流区和加速区不可忽略;结合第二章推力器光谱特性的研究结果,计算了亚稳态原子在羽流区和加速区的产生和消耗机制,发现该类型中性粒子同样参与到光谱辐射过程中。在日冕模型的基础上额外考虑这两种动力学过程,构建了新的速率平衡方程组,发展出适用于羽流区和加速区的“多谱线比”光谱诊断方法。选择多个谱线组进行灵敏性分析,确认三组原子谱线组合用于等离子体参数的计算,对模型的可靠性进行分析,最后将光谱测量结果与探针结果以及数值模拟结果互相验证。针对近阳极区和电离区的光谱量化诊断的难题,文中建立了一套完善的描述上述区域光谱辐射过程的碰撞-辐射模型。该碰撞-辐射模型包含73个氙粒子能级、主要的动力学过程以及相应的速率平衡方程组。利用该模型对发光过程中发挥重要作用的亚稳态原子及帕邢2p态原子的动力学行为进行了计算分析,获得其产生、消耗的途径和频率信息。通过研究碰撞-辐射模型中主要激发能级的动力学特性,发展出“多谱线比和”光谱诊断方法,通过对谱线的灵敏性分析,最终选择10条原子谱线用于等离子体参数的计算,然后进行模型可靠性分析。将推力器典型工况下的光谱诊断结果与数值仿真结果进行对比,结合实验测量的光谱信息,发现光谱诊断结果更为符合实际情况。基于上述光谱诊断方法,测量得到电子温度、密度及中性原子密度等特征参数随多种工况条件的变化规律,实现了对推力器放电通道内部等离子体参数较为准确的实验测量,并据此分析了宏观放电参数对推力器电离过程的影响。使用氢气作为示踪粒子,光谱测量结合探针及仿真手段分析地面真空模拟装置的背景气体返流过程对推力器工作特性的影响,发现背景气体会进入放电通道内部并参与电离过程。基于光谱诊断时间分辨率高的特点,使用高速相机对推力器启动瞬态电离特性问题进行研究,发现点火后首个脉冲周期内电子从阴极进入阳极过程中的能量及密度的变化规律与辉光放电过程存在相似之处。针对霍尔推力器等离子体参数测量的难题,本文构建了适用于霍尔推力器各放电区域的完善的光谱诊断模型和发射光谱诊断方法,并对其准确性、灵敏性、稳定性和适用范围进行了研究,将其应用于推力器工作特性的研究中。这套光谱诊断方法和相关的光谱物理模型对其他种类的电推进装置和氙等离子体放电过程研究同样具有参考意义。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V439.4
【部分图文】：

离子谱线,硼原子,放电电压,强度

图 1- 7 硼原子和一价氙离子谱线在不同放电电压条件下强度的对比[40]Figure 1-7 Comparison of neutral Boron andsingly-charged ion emission lines totalintegrated intensities for varying dischargevoltage图 1- 8 硼原子和一价氙离子谱线在不同阳极工质流量条件下强度的对比[40]Figure 1-8 Comparison of neutral Boron andsingly charged Xenon ion emission lines totalintegrated intensities for varying anodepropellant flowrate

离子谱线,硼原子,阳极,工质

推力器,霍尔,工作原理图,外形

图 2- 1 霍尔推力器 HET-P70 外形和工作原理图Figure 2-1 Diagram of HET-P70 and thruster working mechanism从推力器的工作机制来说，最主要的物理过程是电子以碰撞形式将原子电离，在这一过程中除离子外还会产生其他的高能态粒子。高能态粒子命很短，会自发向低能态跃迁并辐射出不同频率的光子，这就是推力器

【参考文献】