零磁场区及通道宽度对霍尔推力器放电特性影响研究
发布时间：2021-12-18 16:43
霍尔推力器是一种广泛应用于空间推进任务的电推进装置,具有比冲高、寿命长以及可靠性好等优点。为了满足不同种类的空间推进任务,电推进技术一直在不断地创新与发展。霍尔推力器磁场位形和通道宽度是影响推力器性能的重要因素,其对推力器的影响机理需要进一步探究。本文采用粒子模拟方法（PIC）针对ATON型P70霍尔推力器放电通道建立二维物理模型,研究霍尔推力器零磁场区和通道宽度对等离子体放电特性影响,为推力器磁场位形设计和通道宽度选择提供参考。在建立推力器放电通道二维物理模型的基础上,通过FEMM软件设计磁场模型得到不同零磁点位置磁场位形,采用粒子模拟方法研究零磁点磁场位形对推力器离子数密度、空间电势、离子径向速度、电子温度、电离速率以及比冲等参数的影响。结果表明:当放电通道中轴线上零磁点位置由阳极向通道出口方向移动时,离子数密度增加,离子径向速度减小,比冲增大;当零磁点位置由通道内壁面向外壁面径向移动时,电离区域也随之径向移动,推力器比冲先减小后增大;当零磁点位置靠近内壁面时,离子壁面碰撞频率减小,推力器比冲最大。通过FEMM软件将推力器磁场模型的壁面内径减小,采用永磁材料代替电磁线圈,在相同磁场...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２霉尔推力器结构图［７１??＇?ｔ??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?Ｈａｌｌ?ｔｈｒｕｓｔｅｒ１７１??（?１?：?．?‘??＇
?零磁场区及通道宽度对霍尔推力器放电特性影响研宄???ｍｊＫｍ??图１．４?Ａ２１００Ｍ卫星平台［２４］＇??Ｆｉｇ．?１．４?Ａ２１００Ｍ?Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ?ｐｌａｔｆｏｎＴｉｆ２４］??日本由于受到美国的影主要进行离＃推力器的研宂，而对霍尔推力器的研宄发??展较晚。日本研究霍尔推力器的主要机构有日本航夫局、东京大学、名古屋大学以及大??阪大学。大阪大学研究制造的ＴＨＴ型霍尔推力器具有较高的推力，且效率达到５５％［２８＇２９］。??日本为了满足未来深空探测和火星探测等任务，研发了?ＴＨＴ－ＶＩ?５?ｋＷ高比冲霍尔推力??器，该推力器在正常电压范围内测得的最高比冲为３８４０?ｓ，最大效率达６１％Ｍ１。除此之??夕卜，日本还研发了?ＴＡＬＴ－２型霍尔推力器［３｜＇３２］。??表１．１我国霍尔推力器主要发展型号定位Ｎ??Ｔａｂ．?１．１?Ｍａｉｎ?ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ｍｏｄｅｌｓ?ｏｆ?Ｈａｌｌ?Ｔｈｒｕｓｔｅｒｓ?ｉｎ?Ｃｈｉｎａ【５］??型号?推力（ｍＮ）￣比冲（ｓ）?功率（Ｗ）?主要应用领域??ＨＥＴ－２０?２０?［２００?４００?低轨微小卫星??ＨＥＴ－４０?４０?１５００?６００?低轨卫星．，ＧＥＯ?平台??ＨＥＴ－８０?８０?１６００?１３５０?ＧＥＯ?平台，空间站??ＨＥＴ－３００?８０？３００?１６００？３０００?２２００￣４５００?ＧＥＯ?平台，全电推进平台??ＨＥＴ－７００?１００？７００?１６００？３０００?３０００？１００００?大型ＧＥＯ平台，无人深空探测??ＨＥＴ－１５００?２５０？１５００?１６００？３２００?４０００？２００００?大型无人深空探测??
?零磁场区及通道宽度对霍尔推力器放电特性影响研宄???影响推力器性能。因此，磁场对霍尔推力器至关重要，可以通过磁场优化提升推力器性??能，图１．５表示磁场对等离子体的控制示意图。??轉＿??电子轨迹?？??电ＳＥ?加速区?传异区??图１．５磁场对等离子体的控制示意图［６７］??Ｆｉｇ．?１．５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｆｉｅｌｄ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ｏｆ?ｐｌａｓｍａ［６７］??美国密歇根大学通过探针测得ＳＰＴ型霍尔推力器放电通道中的磁场分布，并与??ＮＡＳＡ共同研究得到了?ＮＡＳＡ－１７３Ｍ型霍尔推力器通道出口处的磁场位形，通过改变磁??路结构，测的不同工况下的羽流发散角。在实验过程屮，通过在适当位置增加线圈改变??放电通道中的磁场位形，得到了具有零磁场区的磁场位形，提高了磁场对等离子体的控??制效果，得到了性能更高的ＮＡＳＡ－１７３Ｍｖ２推力器＿１。法国的Ｇａｒｒｉｇｕｅｓ等通过数值模??拟方法研究了不同磁场位形下推力器的放电特性，结果显示：当放电通道内的磁场位形??具有零磁场区时，放电电流更加稳定，离子对壁面轰击作用更小［６９］。Ａ．Ｆｒｕｃｈｔｍａｎ等研??究了磁场曲率与羽流发散角的关系，研究表明：当电离区位于零磁点附近时，羽流发散??角显著减小美国普林斯顿大学主要针对小功率的ＳＰＴ霍尔推力器开展研究工作，??研宄发现：在放电通道内布置电极会影响电势分布，在通道出口处布置电极可以减少／??羽流发散［７１＿７２］。日本大阪工业大学针对＇？！＇型霍尔推力器做了大量研究，研究表明：??放电通道内磁场位形会影响放电电流，在质ｔ流量保持不变时，增大磁场强度会导致放??电电流
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间电推进技术应用现状与发展趋势[J]. 康小录,张岩. 上海航天. 2019(06)
[2]阳极层霍尔推力器内轮辐效应不稳定性研究[J]. 赵杰,唐德礼,李平川,许丽,张帆. 推进技术. 2020(06)
[3]阳极磁屏蔽对阳极层霍尔推力器内磁极刻蚀的影响[J]. 赵杰,唐德礼,许丽,李平川,张帆,李建,桂兵仪. 物理学报. 2019(21)
[4]阳极层霍尔推力器的阳极分段形式对束流分布的影响[J]. 赵杰,唐德礼,李平川,耿少飞. 真空. 2019(04)
[5]中国电推进技术发展及展望[J]. 于达仁,乔磊,蒋文嘉,刘辉. 推进技术. 2020(01)
[6]磁场对霍尔推力器放电特性及性能参数影响的粒子模拟研究[J]. 段萍,宋继磊,姜博瑞,陈龙,李文庆,胡翔,刘广睿. 推进技术. 2020(01)
[7]圆柱形阳极层霍尔推力器内轮辐效应的实验研究[J]. 赵杰,唐德礼,李平川,耿少飞. 推进技术. 2019(07)
[8]磁场对高电压霍尔推力器性能影响研究[J]. 程佳兵,康小录,杭观荣,王宣. 推进技术. 2019(03)
[9]大功率轨道转移航天器全电推进系统研究[J]. 汤章阳,周成,韩冬,马雪,陈涛. 深空探测学报. 2018(04)
[10]磁屏蔽霍尔推力器技术的发展与展望[J]. 徐亚男,康小录,余水淋. 深空探测学报. 2018(04)
博士论文
[1]大高径比霍尔推力器的理论与实验研究[D]. 李杰.哈尔滨工业大学 2011
[2]霍尔推力器电子运动行为的数值模拟[D]. 刘辉.哈尔滨工业大学 2009
[3]霍尔推力器通道内磁场对放电特性的影响研究[D]. 鄂鹏.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]宽范围工作特性霍尔推力器设计及研究[D]. 范昊天.哈尔滨工业大学 2019
[2]霍尔推力器磁场及通道宽度对等离子体放电特性研究影响研究[D]. 胡翔.大连海事大学 2019
[3]霍尔推力器磁屏蔽磁场构型及等离子体放电特性研究[D]. 李文庆.大连海事大学 2019
[4]基于粒子方法的霍尔推力器放电特性数值模拟研究[D]. 高志勇.哈尔滨工业大学 2018
[5]霍尔推力器放电通道壁面分割及磁屏蔽效应研究[D]. 边兴宇.大连海事大学 2018
[6]通道壁面材料布置及磁场对霍尔推力器放电特性影响研究[D]. 刘广睿.大连海事大学 2017
[7]霍尔推力器背景磁场优化及其对等离子体特性影响的数值研究[D]. 马照帅.大连理工大学 2015
[8]霍尔推力器中背景磁场对电子行为影响的数值研究[D]. 任静.大连理工大学 2014
[9]变截面通道霍尔推力器的理论及实验研究[D]. 武海峰.哈尔滨工业大学 2009
[10]磁场位形对霍尔推力器内电子运动的影响研究[D]. 付海洋.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3542787
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２霉尔推力器结构图［７１??＇?ｔ??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?Ｈａｌｌ?ｔｈｒｕｓｔｅｒ１７１??（?１?：?．?‘??＇
?零磁场区及通道宽度对霍尔推力器放电特性影响研宄???ｍｊＫｍ??图１．４?Ａ２１００Ｍ卫星平台［２４］＇??Ｆｉｇ．?１．４?Ａ２１００Ｍ?Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ?ｐｌａｔｆｏｎＴｉｆ２４］??日本由于受到美国的影主要进行离＃推力器的研宂，而对霍尔推力器的研宄发??展较晚。日本研究霍尔推力器的主要机构有日本航夫局、东京大学、名古屋大学以及大??阪大学。大阪大学研究制造的ＴＨＴ型霍尔推力器具有较高的推力，且效率达到５５％［２８＇２９］。??日本为了满足未来深空探测和火星探测等任务，研发了?ＴＨＴ－ＶＩ?５?ｋＷ高比冲霍尔推力??器，该推力器在正常电压范围内测得的最高比冲为３８４０?ｓ，最大效率达６１％Ｍ１。除此之??夕卜，日本还研发了?ＴＡＬＴ－２型霍尔推力器［３｜＇３２］。??表１．１我国霍尔推力器主要发展型号定位Ｎ??Ｔａｂ．?１．１?Ｍａｉｎ?ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ｍｏｄｅｌｓ?ｏｆ?Ｈａｌｌ?Ｔｈｒｕｓｔｅｒｓ?ｉｎ?Ｃｈｉｎａ【５］??型号?推力（ｍＮ）￣比冲（ｓ）?功率（Ｗ）?主要应用领域??ＨＥＴ－２０?２０?［２００?４００?低轨微小卫星??ＨＥＴ－４０?４０?１５００?６００?低轨卫星．，ＧＥＯ?平台??ＨＥＴ－８０?８０?１６００?１３５０?ＧＥＯ?平台，空间站??ＨＥＴ－３００?８０？３００?１６００？３０００?２２００￣４５００?ＧＥＯ?平台，全电推进平台??ＨＥＴ－７００?１００？７００?１６００？３０００?３０００？１００００?大型ＧＥＯ平台，无人深空探测??ＨＥＴ－１５００?２５０？１５００?１６００？３２００?４０００？２００００?大型无人深空探测??
?零磁场区及通道宽度对霍尔推力器放电特性影响研宄???影响推力器性能。因此，磁场对霍尔推力器至关重要，可以通过磁场优化提升推力器性??能，图１．５表示磁场对等离子体的控制示意图。??轉＿??电子轨迹?？??电ＳＥ?加速区?传异区??图１．５磁场对等离子体的控制示意图［６７］??Ｆｉｇ．?１．５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｆｉｅｌｄ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ｏｆ?ｐｌａｓｍａ［６７］??美国密歇根大学通过探针测得ＳＰＴ型霍尔推力器放电通道中的磁场分布，并与??ＮＡＳＡ共同研究得到了?ＮＡＳＡ－１７３Ｍ型霍尔推力器通道出口处的磁场位形，通过改变磁??路结构，测的不同工况下的羽流发散角。在实验过程屮，通过在适当位置增加线圈改变??放电通道中的磁场位形，得到了具有零磁场区的磁场位形，提高了磁场对等离子体的控??制效果，得到了性能更高的ＮＡＳＡ－１７３Ｍｖ２推力器＿１。法国的Ｇａｒｒｉｇｕｅｓ等通过数值模??拟方法研究了不同磁场位形下推力器的放电特性，结果显示：当放电通道内的磁场位形??具有零磁场区时，放电电流更加稳定，离子对壁面轰击作用更小［６９］。Ａ．Ｆｒｕｃｈｔｍａｎ等研??究了磁场曲率与羽流发散角的关系，研究表明：当电离区位于零磁点附近时，羽流发散??角显著减小美国普林斯顿大学主要针对小功率的ＳＰＴ霍尔推力器开展研究工作，??研宄发现：在放电通道内布置电极会影响电势分布，在通道出口处布置电极可以减少／??羽流发散［７１＿７２］。日本大阪工业大学针对＇？！＇型霍尔推力器做了大量研究，研究表明：??放电通道内磁场位形会影响放电电流，在质ｔ流量保持不变时，增大磁场强度会导致放??电电流
【参考文献】：
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[1]空间电推进技术应用现状与发展趋势[J]. 康小录,张岩. 上海航天. 2019(06)
[2]阳极层霍尔推力器内轮辐效应不稳定性研究[J]. 赵杰,唐德礼,李平川,许丽,张帆. 推进技术. 2020(06)
[3]阳极磁屏蔽对阳极层霍尔推力器内磁极刻蚀的影响[J]. 赵杰,唐德礼,许丽,李平川,张帆,李建,桂兵仪. 物理学报. 2019(21)
[4]阳极层霍尔推力器的阳极分段形式对束流分布的影响[J]. 赵杰,唐德礼,李平川,耿少飞. 真空. 2019(04)
[5]中国电推进技术发展及展望[J]. 于达仁,乔磊,蒋文嘉,刘辉. 推进技术. 2020(01)
[6]磁场对霍尔推力器放电特性及性能参数影响的粒子模拟研究[J]. 段萍,宋继磊,姜博瑞,陈龙,李文庆,胡翔,刘广睿. 推进技术. 2020(01)
[7]圆柱形阳极层霍尔推力器内轮辐效应的实验研究[J]. 赵杰,唐德礼,李平川,耿少飞. 推进技术. 2019(07)
[8]磁场对高电压霍尔推力器性能影响研究[J]. 程佳兵,康小录,杭观荣,王宣. 推进技术. 2019(03)
[9]大功率轨道转移航天器全电推进系统研究[J]. 汤章阳,周成,韩冬,马雪,陈涛. 深空探测学报. 2018(04)
[10]磁屏蔽霍尔推力器技术的发展与展望[J]. 徐亚男,康小录,余水淋. 深空探测学报. 2018(04)
博士论文
[1]大高径比霍尔推力器的理论与实验研究[D]. 李杰.哈尔滨工业大学 2011
[2]霍尔推力器电子运动行为的数值模拟[D]. 刘辉.哈尔滨工业大学 2009
[3]霍尔推力器通道内磁场对放电特性的影响研究[D]. 鄂鹏.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]宽范围工作特性霍尔推力器设计及研究[D]. 范昊天.哈尔滨工业大学 2019
[2]霍尔推力器磁场及通道宽度对等离子体放电特性研究影响研究[D]. 胡翔.大连海事大学 2019
[3]霍尔推力器磁屏蔽磁场构型及等离子体放电特性研究[D]. 李文庆.大连海事大学 2019
[4]基于粒子方法的霍尔推力器放电特性数值模拟研究[D]. 高志勇.哈尔滨工业大学 2018
[5]霍尔推力器放电通道壁面分割及磁屏蔽效应研究[D]. 边兴宇.大连海事大学 2018
[6]通道壁面材料布置及磁场对霍尔推力器放电特性影响研究[D]. 刘广睿.大连海事大学 2017
[7]霍尔推力器背景磁场优化及其对等离子体特性影响的数值研究[D]. 马照帅.大连理工大学 2015
[8]霍尔推力器中背景磁场对电子行为影响的数值研究[D]. 任静.大连理工大学 2014
[9]变截面通道霍尔推力器的理论及实验研究[D]. 武海峰.哈尔滨工业大学 2009
[10]磁场位形对霍尔推力器内电子运动的影响研究[D]. 付海洋.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3542787
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