磁屏蔽霍尔推力器磁场位形与通道壁面匹配特性的Particle-in-Cell数值模拟研究

发布时间：2021-11-16 06:06

　　全面电推进技术的应用,为霍尔推力器提供机遇与挑战。航天任务的发展趋势是执行周期更长、目标更多以及距离更远,这对推力器提出上万小时的寿命需求。磁屏蔽技术能有效降低离子对壁面侵蚀作用,壁面侵蚀不再是制约寿命的决定性因素,这一技术在未来霍尔推力器应用中,是必不可少的关键技术。磁屏蔽技术一方面是形成向阳极凹陷外推磁场,另一方面要保证壁面与磁力线相匹配。基于这两方面问题,本文对磁屏蔽霍尔推力器磁场与壁面形貌的匹配优化过程展开仿真分析。首先,优化Full-PIC程序。根据电子在通道内运动特征,将通道分区。确定不同区域电导率和电子传导过程。传统霍尔仿真中,以通道为界限区分内、外Bohm系数,而磁屏蔽推力器中优化为按磁场梯度区分Bohm系数。从而实现对出口到最大磁场强度位置,正梯度磁场对电子的抑制过程的仿真。并通过实验数据修正Bohm系数的选取,确保仿真结果真实可靠。其次,研究磁力线与壁面匹配模式下,磁场外推程度对放电特性的影响。通过改变磁极、磁屏相对位置与角度,得到最大磁场强度相同但外推程度不同的磁场结构。通过数值仿真研究发现,随磁场的外推,电离和加速区位置也向下游移动,显著影响了电离区所在位置原子... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：83 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

霍尔推力器靠近外壁面侧通道内放电示意图（点划线CL为通道中心线）以及电势与电子温度Te的典型分布

哈尔滨工业大学硕士学位论文6图1-4H6通道形貌设计JPL通过长寿命实验进行H6MS和BPT-4000的磁场与壁面匹配特性研究，法国通过半经验特征，设计与磁场相匹配的壁面形貌。CNRS研发的小功率永磁磁屏蔽霍尔推力器ISCT200-MS，通道出口采用倒角以适应近壁磁场结构，通道平均直径37mm，在通道出口2mm处，采用30°倒角设计[26，27]。通过实验验证，这种倒角设计能实现较好的磁屏蔽效果。磁场与壁面形貌的匹配设计是推力器研究过程中必经的一个重要环节，而从目前研究现状来看，主要通过实验和经验指导设计，缺乏系统的分析与深入的研究，所以对于这一问题的研究具有重要意义。1.2.2磁屏蔽技术的应用对推力器放电特性影响磁屏蔽技术的应用虽然降低了壁面侵蚀，但是对推力器性能的优化并不明显，甚至有所降低。JPL的H6推力器应用磁屏蔽技术后，推力（384.2mN）减小了4.2%，比冲（2000s）增大了2.6%，总效率（62.4%）减小了1.7%[28]。在H6羽流特性的测量中发现，磁屏蔽磁场下，羽流发散角变大，离子束流中多价离子比重显著增加[29]。在小型化霍尔推力器上应用磁屏蔽技术，JPL与UCLA（加州大学洛杉矶分校）合作开发了小功率磁屏蔽推力器MaSMi-40（通道外径~40mm，功率320W，2013年）[30]与MaSMi-60-LM1（通道外径~60mm，功率可达750W，2015年）[31]。其中MaSMi-60-LM1的性能表现较差（放电功率750W，推力33mN，阳极比冲1370s，阳极效率29%）[14，32]。在MaSMi-60-LM1基础上进行优化改进，设计的MaSMi-60-LM2和MaSMi-DM最大总效率也仅为32.1%以及41%[33]。法国国家科

实验前后


本文编号：3498297