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

发布时间：2017-10-22 01:14

  本文关键词：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

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【摘要】：随着人们对太空探索的增多,推进技术得到了长足的发展。许多推力器被研制出来。其中,霍尔推力器以其效率高、比冲大、使用寿命长以及推力精细等优点获得了广泛地应用。霍尔推力器中物理过程十分复杂,其中许多机制还不是很清楚,为了提高推力器在实际应用中的效率,弄清楚这些物理机制很重要。此外,推力器的尺寸很小,进行实验研究具有一定的难度,因此,关于推力器物理机制的理论以及模拟的研究十分必要。本文数值模拟了霍尔推力器中的磁场,对磁场进行了优化研究；以模拟出来的磁场作为背景磁场,对霍尔推力器中等离子体进行了二维流体模拟,研究了背景磁场对等离子体特性的影响。霍尔推力器中,磁场会约束电子运动,却不足以约束离子,离子被电场加速,进而被喷出。磁场位形会对推力器的电势分布产生影响,进而影响推力器的整体性能。历史上推力器性能的提升都伴随着磁场位形的优化。因此,研究影响磁场位形的因素是十分必要的。本文数值模拟了磁屏,磁极和辅助线圈对磁场位形的影响。研究发现磁屏与磁极之间的缝隙大小会对通道中的磁场强度和磁镜比产生影响；内磁极高于外磁极时,出口处磁力线与出口截面平行,是一种相对更优化的磁场位形；辅助线圈电流强度会影响磁场强度和“零磁区域”位置,电流增大时,磁镜比增大,磁场梯度随着线圈与阳极距离变小而变大。推力器中,电子传导、电子漂移、电子碰撞等物理过程都对霍尔推力器的性能有很大的影响。本文采用二维流体模拟的方法,讨论了磁场对电子运动的影响。由于电子、离子的时间尺度相差很大,对离子做了漂移扩散近似,对电子采用普通的流体模型。通过对数值解的分析发现,当磁场强度大于某一值时,磁场能够很好的约束电子的轴向传导；当磁场强度变大时,环向速度会先变大然后再变小。等离子体特性对推力器性能有非常大的影响。因此,对它的研究十分重要。本文利用二维流体模拟(忽略了电子以及离子动量方程中的惯性项)研究了通道中等离子体的分布。采用有限差分法对模型进行了离散求解,分析了不同磁场对等离子体物理特性的影响。根据数值结果,通道中出现了频率在MHz量级的高频震荡。加入磁屏,频率变小。出口处磁力线准直性下降,更高频率的不规则震荡变明显。存在“零磁区域”时,高频不规则震荡得到抑制,同时MHz量级震荡的频率增大。当磁力线凸向阳极的时候,等离子体分布集中在通道中央；“零磁区域”的存在使密度峰值远离阳极。
【关键词】：霍尔推力器 磁场 电子运动 高频震荡 流体模拟
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V439
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-20
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 霍尔推力器的结构以及工作原理10-11
• 1.3 磁场对霍尔推力器的影响11-14
• 1.3.1 霍尔推力器磁场的研究现状11-12
• 1.3.2 霍尔推力器磁场的设计准则12-14
• 1.4 霍尔推力器中电子的传导过程14-17
• 1.4.1 经典传导15-16
• 1.4.2 玻姆传导16
• 1.4.3 近壁传导16-17
• 1.5 霍尔推力器中震荡现象的研究17-18
• 1.6 论文的主要内容18-20
• 2 霍尔推力器背景磁场优化的数值研究20-31
• 2.1 引言20
• 2.2 模型20-22
• 2.3 数值方法22-23
• 2.4 数值结果与讨论23-30
• 2.4.1 磁屏对磁场位形的影响23-25
• 2.4.2 内外磁极高度对磁场位形的影响25-27
• 2.4.3 辅助线圈对磁场位形的影响27-30
• 2.5 结论30-31
• 3 霍尔推力器背景磁场对等离子体中电子运动行为影响的数值研究31-38
• 3.1 引言31
• 3.2 模型31-33
• 3.3 结果与讨论33-37
• 3.4 结论37-38
• 4 霍尔推力器背景磁场对高频震荡影响的数值研究38-50
• 4.1 引言38
• 4.2 模型38-40
• 4.3 结果与讨论40-48
• 4.3.1 磁屏的影响40-45
• 4.3.2 磁极相对高度的影响45-46
• 4.3.3 辅助线圈的影响46-48
• 4.4 结论48-50
• 结论50-51
• 参考文献51-55
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况55-56
• 致谢56-57

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 于达仁;刘辉;付海洋;;Effect of Magnetic Mirror on the Asymmetry of the Radial Profile of Near-Wall Conductivity in Hall Thrusters[J];Plasma Science and Technology;2009年03期

2 赵海龙;王春生;严禹明;刘洪臣;江滨浩;;Improvement of Azimuthator Based on Particle Simulation[J];Plasma Science and Technology;2015年01期

中国博士学位论文全文数据库 前4条

1 李鸿;霍尔推力器寿命周期内电子近壁传导特性研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

2 李杰;大高径比霍尔推力器的理论与实验研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

3 刘辉;霍尔推力器电子运动行为的数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2009年

4 张凤奎;霍尔推力器绝缘壁面鞘层动态特性及其对近壁传导的影响[D];哈尔滨工业大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前6条

1 李鸿;电子传导特性对稳态等离子推进器影响的数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2006年

2 疏舒;壁面二次电子发射对SPT鞘层及近壁传导的影响研究[D];哈尔滨工业大学;2006年

3 卿绍伟;霍尔推力器绝缘壁面鞘层稳定性研究[D];哈尔滨工业大学;2007年

4 付海洋;磁场位形对霍尔推力器内电子运动的影响研究[D];哈尔滨工业大学;2008年

5 贾景卫;霍尔推力器传导沟槽对近壁传导影响的粒子模拟[D];哈尔滨工业大学;2009年

6 任静;霍尔推力器中背景磁场对电子行为影响的数值研究[D];大连理工大学;2014年

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本文编号：1076084