霍爾推力器電子運(yùn)動(dòng)行為的數(shù)值模擬.pdf

1、霍爾推力器具有高效率、高比沖、長(zhǎng)壽命、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛地應(yīng)用作為衛(wèi)星推進(jìn)裝置。但是由于其內(nèi)部物理過程的復(fù)雜性，人們對(duì)其內(nèi)部機(jī)理還不是很清楚，限制了推力器性能的進(jìn)一步提高。
　　霍爾推力器通過磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)來控制電子的運(yùn)動(dòng)，間接地對(duì)推力器內(nèi)原子的電離以及離子的加速過程產(chǎn)生影響。因此電子是霍爾推力器的直接可控因素。為了深入理解推力器的內(nèi)部機(jī)理，需要首先掌握電子在推力器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程，以及電子對(duì)推力器性能的影響規(guī)律。文章采用Part

2、icle in cell（PIC）粒子模擬方法對(duì)推力器內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行了模擬。在模擬過程中考慮了電子和鞘層以及磁場(chǎng)的相互作用等因素造成的電子運(yùn)動(dòng)行為的特殊性。
　　文章首先對(duì)PIC粒子模擬方法的建模過程進(jìn)行了詳細(xì)地描述。由于計(jì)算量的原因，目前PIC方法不能夠?qū)φ鎸?shí)的霍爾推力器進(jìn)行模擬，需要進(jìn)行一些簡(jiǎn)化。文中對(duì)目前常用的簡(jiǎn)化方法進(jìn)行了論述，在此基礎(chǔ)上，提出了新的簡(jiǎn)化方法，保證了計(jì)算的速度和準(zhǔn)確性。同時(shí)在模擬過程中發(fā)現(xiàn)了PIC方

3、法的穩(wěn)定性問題，通過控制理論思想對(duì)PIC方法的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，提出了修正算法，保證了計(jì)算的穩(wěn)定性。
　　電子對(duì)推力器性能的影響主要是通過電子傳導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)的。因此文中采用PIC方法，首先圍繞霍爾推力器實(shí)際運(yùn)行工況下的壁面和磁場(chǎng)條件對(duì)電子近壁傳導(dǎo)的影響規(guī)律開展了相關(guān)研究工作。為了減小離子羽流發(fā)散角，霍爾推力器內(nèi)普遍采用聚焦磁場(chǎng)位形來減小羽流發(fā)散角。研究發(fā)現(xiàn)磁聚焦位型會(huì)產(chǎn)生磁鏡效應(yīng)，阻礙電子向壁面運(yùn)動(dòng)，從而影響近壁傳導(dǎo)。之后，針對(duì)壁面溝

4、槽形貌對(duì)電子近壁傳導(dǎo)的增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)行了模擬。發(fā)現(xiàn)了溝槽的寬度存在最優(yōu)值，使近壁傳導(dǎo)電流最大。同時(shí)研究過程中發(fā)現(xiàn)，壁面劃溝會(huì)造成周向鞘層的不對(duì)稱性，這一發(fā)現(xiàn)可以用于解釋霍爾推力器內(nèi)部的反常腐蝕現(xiàn)象。
　　霍爾推力器內(nèi)磁場(chǎng)的正梯度是普遍采用的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。文中對(duì)電子在繞磁力線回旋過程中由于磁場(chǎng)梯度產(chǎn)生的電子回旋效應(yīng)進(jìn)行了分析和模擬。發(fā)現(xiàn)了磁場(chǎng)梯度對(duì)電子遷移率的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，采用PIC粒子模擬方法分析了磁場(chǎng)梯度對(duì)推力器內(nèi)等離子體參