霍尔推力器内放电等离子体数值仿真分析

发布时间：2021-11-01 17:16

　　为研究霍尔推力器通道内放电过程和等离子体的分布情况,对霍尔推力器建立二维仿真模型。得到推力器通道中Xe⁺和Xe⁺⁺数密度分布、速度分布、电流密度分布、电势分布和电子温度分布等,通过不同时刻Xe⁺和Xe⁺⁺离子数密度的变化,观察到推力器内放电达到稳定运行的过程。由结果可知此推力器工作电压350V,电流4.2A,工质气体流量42SCCM时的比冲约为1300S。与文献中报道的实验结果和数值模拟结果对比,具有很好的一致性。一方面验证了该模型用于霍尔推力器数值仿真的有效性,另一方面得到了稳态霍尔推力器内较详细的放电等离子体参数分布。 

【文章来源】：真空. 2020,57(04)

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

霍尔推力器结构示意图

根据图1推力器的结构得到如图2所示的磁场线分布，图3为径向上r=0.04m处的轴向磁感应强度的分布情况。在中轴线上磁场有正负梯度的变化，并且在轴线两侧的磁场有逐渐增强，这样就形成了一个不均匀的鞍形磁场分布，由于等离子体自身的电势是随磁场梯度的变化而变化。在正梯度的磁场中，等离子体电势是有所增强的；在负梯度的磁场中，等离子体电势是有所下降的。电势的增加有助于对电子的约束，电势的降低有利于离子的引出。鞍形的磁场对于增强推进剂的利用率和提高推力器的效率起到很大的作用，因为正负梯度变化的磁场有利于对电子的有效约束，而通道下游的负梯度的磁场又有利于离子的引出[13,14]。图3 r=0.04m处磁场强度沿轴向分布

图2 磁场线分布根据实际推力器实验数据，这里主要针对放电电压为350V，气量为42sccm时的稳定放电状态进行仿真模拟，由仿真计算得到霍尔推力器内放电等离子体的参数分布情况。由于霍尔推力器通道内电子的传导决定了电势的分布，从而对工质的电离和加速产生影响，进一步影响到推力器的宏观性能。由推力器放电稳定时的结果图4（推力器内电势分布云图）和图5（径向0.045m处的轴向电势分布）可以看出推力器内电势降主要在推力器通道出口处。在缓冲区以及和缓冲区连接处的电势变化很小。也就是在轴向距离0.35内电势基本上在300V以上。这种分布与参考文献[15,16]的电势分布基本上是一致的。从通道内轴线上电势分布来看，电势在0.03m之后略有微小的增加，之后急剧下降。

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于核电的大功率霍尔电推进系统设计及分析[J]. 刘佳,康小录,张岩,杭观荣.  原子能科学技术. 2019(01)
[2]霍尔电推进技术的发展与应用[J]. 康小录,杭观荣,朱智春.  火箭推进. 2017(01)
[3]P70霍尔推力器新型缓冲腔磁路对预电离及放电的影响[J]. 韩轲,魏立秋,纪延超,于达仁.  推进技术. 2011(06)
[4]ATON型Hall推力器缓冲区预电离问题研究[J]. 刘辉,吴勃英,鄂鹏,段萍.  物理学报. 2010(10)
[5]法国等离子体推进技术的研究与发展[J]. 夏广庆,孙安邦,朱国强,朱雨,霍超.  导弹与航天运载技术. 2010(01)



本文编号：3470487