【摘要】：隨著空間電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和全電推進(jìn)技術(shù)的提出,電推力器逐漸由單一的輔助推進(jìn)擴(kuò)展到了主推進(jìn),其功能從單一化邁向了多元化。傳統(tǒng)霍爾推力器由于自身結(jié)構(gòu)及功能的限制,已無法滿足未來航天器的多樣化推進(jìn)任務(wù)需求,發(fā)展具有寬范圍工作特性的霍爾推力器技術(shù)刻不容緩。實(shí)現(xiàn)推力器寬參數(shù)范圍高效工作的核心科學(xué)問題是推力器電離加速過程中等離子體分布的調(diào)控問題,最關(guān)鍵的著手點(diǎn)則在于確保寬范圍條件下工質(zhì)的充分電離。基于此,本文設(shè)計(jì)了一款適用于寬參數(shù)范圍工作的霍爾推力器原理樣機(jī),并就其寬范圍工作特性開展了系列研究和探索,具體開展的主要工作如下:首先,本文以充分電離準(zhǔn)則為理論基礎(chǔ),以適用于寬流量范圍工作為核心目標(biāo)完成了推力器原理樣機(jī)HEP 100WR的設(shè)計(jì)。通過多磁極多線圈的磁路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了磁場多自由度的靈活調(diào)控,其中磁場可軸向大范圍移動的特征為有效控制電離區(qū)軸向位置奠定了基礎(chǔ)。同時,連續(xù)漸擴(kuò)的陶瓷通道結(jié)構(gòu)提供了線性變化的通流截面,其與軸向位置可變的磁場相配合,有助于優(yōu)化電離過程。通過實(shí)測驗(yàn)證,依據(jù)所提出的磁路調(diào)控方法,可以順利獲得所需目標(biāo)磁場。其次,通過PIC仿真手段研究了HEP 100WR的電離加速過程及性能表現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控磁場峰值的軸向位置可以有效控制電離區(qū)位置,當(dāng)電離發(fā)生在通道內(nèi)部通流截面較小的區(qū)域時電離效果大幅度提升。但較長的加速區(qū)間和較小的磁場曲率導(dǎo)致離子加速過程中壁面損失嚴(yán)重,使得低流量工況性能在磁場峰值內(nèi)移后并未有明顯提升。再次,通過實(shí)驗(yàn)手段掌握了HEP 100WR的性能變化規(guī)律,并結(jié)合探針測得的羽流參數(shù)對其內(nèi)部機(jī)理進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)HEP-100WR具有唯一的最優(yōu)磁場位置工況點(diǎn),且此時磁場峰值位置位于通道出口附近。與等截面通道霍爾推力器相比,HEP-100WR在中高流量工況下性能較佳,低工況性能表現(xiàn)并不理想。究其原因,二者均與工質(zhì)的充分電離和離子的壁面碰撞損失密切相關(guān)。此外本文還關(guān)注了HEP-100WR的放電穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該推力器在此方面具有優(yōu)勢。最后,為改善HEP-100WR的低流量工況性能,研究了通道構(gòu)型對HEP-100WR放電特性的影響。發(fā)現(xiàn)增加通道直筒段長度可以提高通道內(nèi)氣體密度,促使高氣體密度區(qū)域外延,有效促進(jìn)工質(zhì)的電離和電離區(qū)的外移,進(jìn)而全面提高HEP-100WR的放電性能,然而此方式僅在低流量工況下效果明顯。當(dāng)推力器工作在中高流量工況時,通道內(nèi)等離子體密度大幅度升高,離子的壁面損失迅速增加,電子近壁傳導(dǎo)效應(yīng)也會增強(qiáng),進(jìn)而使得推力器放電性能表現(xiàn)不佳。同時,陶瓷通道直筒段長度具有一個最優(yōu)值,過短則難以提升電離和電離區(qū)外移效果,過長則會加劇離子的壁面碰撞損失,當(dāng)HEP-100WR工作在最優(yōu)通道構(gòu)型下時,推力器寬范圍工作性能及穩(wěn)定工作區(qū)間均有明顯提升。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V439.4
【圖文】：

1 圖 1-1 霍爾推力器結(jié)構(gòu)原理示意圖[1]結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示，其一般具有中空共軸結(jié)構(gòu)。沿軸向方向的電場。陰極發(fā)射出電子，電子在電動，在此過程中被徑向磁場磁化束縛在磁力線上磁場作用下沿圓周方向漂移形成閉合電子電流，工質(zhì)原子發(fā)生碰撞，使工質(zhì)原子電離產(chǎn)生離子和質(zhì)量，具有較大的拉莫爾半徑（米的數(shù)量級），，因此離子幾乎不受通道內(nèi)磁場的影響，在軸向產(chǎn)生反作用力為航天器提供動力�；魻柾屏ζ髯鞅扔趥鹘y(tǒng)的化學(xué)推力器，具有結(jié)構(gòu)簡單、高比沖力器，具有功率、推力范圍大，比沖適中，免于器現(xiàn)已成為世界各國降低航天器總質(zhì)量、提高平

數(shù)范圍工作的霍爾推力器設(shè)計(jì)的核心科學(xué)問題是推體分布的調(diào)控問題，而最關(guān)鍵的著手點(diǎn)則在于如何確電離。這個問題的解決將為保證推力器在寬參數(shù)范圍解決手段，將是對現(xiàn)有霍爾推力器設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)方此類推力器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及后續(xù)研究供以借鑒。究現(xiàn)狀及分析力器變工質(zhì)流量的研究現(xiàn)狀調(diào)節(jié)霍爾推力器推力的最有效手段之一。在同一電壓線性關(guān)系。隨著深空探測的任務(wù)需求及微小衛(wèi)星的研推力器以及高效率的低功率霍爾推力器的研制工作方展方向均受到同一因素制約——低工質(zhì)流量下放電效在中型霍爾推力器上也同樣暴露出來，如圖 1-2 所示力器進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

[12]。磁場通過約束電子分布來建立通道內(nèi)的電導(dǎo)率分布，進(jìn)而形成合理的電場分布來控制離子的運(yùn)動，如圖1-5所示。對磁場位形進(jìn)行設(shè)計(jì)可以間接控制電導(dǎo)特性，這是等離子體放電裝置中較為常用的一種設(shè)計(jì)手段，也是目前推力器中控制電導(dǎo)特性提高推力器性能的最為直接有效的手段。因?yàn)榇艌龅拇嬖�，電子才得以在陶瓷通道�?nèi)停留足夠長的時間，以便能夠有效地離子化中性流并加速離子。而且，磁場形狀引導(dǎo)帶電粒子流，對離子聚焦起作用，影響推力器熱負(fù)荷、腐蝕狀況及羽流性能等。通過磁場位形的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以形成所需的通道電勢降分布特性，進(jìn)而提高推力器性能。圖1-5 磁場對等離子體的控制作用示意圖哈爾濱工業(yè)大學(xué)付海洋從磁場位形對電子運(yùn)動影響的作用角度，指出了霍爾

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本文編號：2794352