霍尔推力器全通道等离子体放电特性PIC模拟研究

发布时间：2017-08-22 19:10

  本文关键词：霍尔推力器全通道等离子体放电特性PIC模拟研究

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【摘要】：霍尔推力器是一种广泛应用于空间推进领域的电磁式等离子体加速装置,其中空共轴的圆柱形放电通道是推力器的核心部件之一,通道内部电磁场作用下的等离子体放电特性对推力器的性能具有重要影响。由于放电电压和工质流量是影响推力器通道内等离子体运动的重要参数,因此,研究不同条件下霍尔推力器放电通道内电子与原子的碰撞电离及离子的加速聚焦过程,对霍尔推力器生成高速均匀的等离子体束流具有重要意义。本文根据霍尔推力器放电通道内电磁场与等离子体互相作用过程建立全通道二维物理模型,确定模拟区域及边界条件,采用PIC (Particle-in-Cell)模拟方法数值研究了壁面通道电势、电子温度、离子密度分布随放电电压及工质流量的变化规律；讨论了工质流量对离子电流、推力及推进效率的影响。针对不同放电电压,研究结果表明：当放电电压较低时(250V-350V),电离区位于轴向0.02m附近且轴向分布距离较长,电势分布不随放电电压的升高发生明显变化,电势降集中于通道出口处,加速区轴向范围较小；当放电电压继续升高时(400-650V),电离区逐渐向阳极方向趋近且轴向距离缩短,电势降逐渐向阳极方向轴向扩张,通道内等势线与壁面产生夹角,加速区轴向范围扩大,当放电电压为400V-450V时通道内电子温度发生“突变”；放电电压升至700V时,电离区被压缩至阳极附近,而加速区轴向距离增加较大。改变工质流量对霍尔推力器放电特性的影响研究表明：低工质流量(2-4mg/s)下,随着工质流量的增大,电离区电子数密度增大,加速区位于通道出口处较窄区域且电子温度逐渐增大,电势降主要集中在通道出口处,推力及离子电流逐渐增大,推进效率无明显变化；高工质流量(5-6mg/s)下,电离区趋向阳极方向,加速区出现明显轴向扩张,电势降集中于轴向0.015m至通道出口处,等势线与壁面的径向夹角增大,推力、离子电流及推进效率逐渐下降。
【关键词】：霍尔推力器 放电电压 工质流量 PIC模拟
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V439
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 研究背景及意义10-15
• 1.2 霍尔推力器全通道等离子体放电特性研究现状15-17
• 1.3 霍尔推力器全通道等离子体数值模拟研究现状17-19
• 1.4 论文主要内容及章节安排19-21
• 第2章 霍尔推力器放电通道物理模型及模拟方法21-35
• 2.1 引言21
• 2.2 物理模型的建立21-29
• 2.2.1 物理模型21-23
• 2.2.2 模拟区域及磁场位形的分布23
• 2.2.3 边界条件23-25
• 2.2.4 粒子间碰撞分析25-29
• 2.3 PIC(Particle-in-Cell)模拟方法29-33
• 2.3.1 发展历史及基本思路29-30
• 2.3.2 初始粒子分布30-31
• 2.3.3 泊松方程求解31-33
• 2.3.4 运动方程求解33
• 2.4 无量纲化参数33-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第3章 放电电压对霍尔推力器全通道放电特性的影响研究35-43
• 3.1 引言35
• 3.2 电子数密度随放电电压的变化规律研究35-37
• 3.3 电子温度随放电电压的变化规律研究37-39
• 3.4 放电电压对放电通道电势的影响39-41
• 3.5 放电电压对霍尔推力器比冲的影响41-42
• 3.6 本章小结42-43
• 第4章 工质流量对霍尔推力器全通道放电特性的影响研究43-48
• 4.1 引言43
• 4.2 电子数密度随工质流量变化规律的研究43-44
• 4.3 电子温度随工质流量变化规律的研究44-45
• 4.4 电势随工质流量变化规律的研究45-47
• 4.5 本章小结47-48
• 第5章 工质流量对霍尔推力器性能的影响分析48-51
• 5.1 引言48
• 5.2 离子电流及推力随工质流量的变化规律48-50
• 5.3 推进效率随工质流量的变化规律50
• 5.4 本章小结50-51
• 结论与展望51-53
• 参考文献53-60
• 攻读学位期间公开发表论文60-61
• 致谢61

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 张郁;电推进技术的研究应用现状及其发展趋势[J];火箭推进;2005年02期

2 谢泽华;周进;李自然;;脉冲等离子体推力器内部流场的数值分析[J];火箭推进;2014年01期

3 宁中喜;张世强;于达仁;;低功率变截面通道霍尔推力器电离特性[J];推进技术;2011年06期

4 段萍;沈鸿娟;刘金远;李，

本文编号：720878