霍爾推力器背景磁場(chǎng)優(yōu)化及其對(duì)等離子體特性影響的數(shù)值研究.pdf

1、隨著人們對(duì)太空探索的增多，推進(jìn)技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。許多推力器被研制出來(lái)。其中，霍爾推力器以其效率高、比沖大、使用壽命長(zhǎng)以及推力精細(xì)等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛地應(yīng)用?；魻柾屏ζ髦形锢磉^(guò)程十分復(fù)雜，其中許多機(jī)制還不是很清楚，為了提高推力器在實(shí)際應(yīng)用中的效率，弄清楚這些物理機(jī)制很重要。此外，推力器的尺寸很小，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究具有一定的難度，因此，關(guān)于推力器物理機(jī)制的理論以及模擬的研究十分必要。本文數(shù)值模擬了霍爾推力器中的磁場(chǎng)，對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行了優(yōu)化研究;以模擬

2、出來(lái)的磁場(chǎng)作為背景磁場(chǎng)，對(duì)霍爾推力器中等離子體進(jìn)行了二維流體模擬，研究了背景磁場(chǎng)對(duì)等離子體特性的影響。
　　霍爾推力器中，磁場(chǎng)會(huì)約束電子運(yùn)動(dòng)，卻不足以約束離子，離子被電場(chǎng)加速，進(jìn)而被噴出。磁場(chǎng)位形會(huì)對(duì)推力器的電勢(shì)分布產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響推力器的整體性能。歷史上推力器性能的提升都伴隨著磁場(chǎng)位形的優(yōu)化。因此，研究影響磁場(chǎng)位形的因素是十分必要的。本文數(shù)值模擬了磁屏，磁極和輔助線圈對(duì)磁場(chǎng)位形的影響。研究發(fā)現(xiàn)磁屏與磁極之間的縫隙大小會(huì)對(duì)通道中

3、的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁鏡比產(chǎn)生影響;內(nèi)磁極高于外磁極時(shí)，出口處磁力線與出口截面平行，是一種相對(duì)更優(yōu)化的磁場(chǎng)位形;輔助線圈電流強(qiáng)度會(huì)影響磁場(chǎng)強(qiáng)度和“零磁區(qū)域”位置，電流增大時(shí)，磁鏡比增大，磁場(chǎng)梯度隨著線圈與陽(yáng)極距離變小而變大。
　　推力器中，電子傳導(dǎo)、電子漂移、電子碰撞等物理過(guò)程都對(duì)霍爾推力器的性能有很大的影響。本文采用二維流體模擬的方法，討論了磁場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的影響。由于電子、離子的時(shí)間尺度相差很大，對(duì)離子做了漂移擴(kuò)散近似，對(duì)電子采用普通的

4、流體模型。通過(guò)對(duì)數(shù)值解的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大于某一值時(shí)，磁場(chǎng)能夠很好的約束電子的軸向傳導(dǎo);當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度變大時(shí)，環(huán)向速度會(huì)先變大然后再變小。
　　等離子體特性對(duì)推力器性能有非常大的影響。因此，對(duì)它的研究十分重要。本文利用二維流體模擬（忽略了電子以及離子動(dòng)量方程中的慣性項(xiàng)）研究了通道中等離子體的分布。采用有限差分法對(duì)模型進(jìn)行了離散求解，分析了不同磁場(chǎng)對(duì)等離子體物理特性的影響。根據(jù)數(shù)值結(jié)果，通道中出現(xiàn)了頻率在MHz量級(jí)的高頻震蕩。加入磁