霍爾推力器作為先進的電推進裝置,在航天領域有著廣泛的應用�，F(xiàn)在各種新類型霍爾推力器不斷涌現(xiàn),對它們工作機制的研究要求能夠準確測量放電過程中的等離子體參數(shù)。傳統(tǒng)的探針測量手段本身會對等離子體造成干擾、難以測量稠密等離子體區(qū)域并且不能測量中性組分,已經(jīng)不能滿足研究需求。發(fā)射光譜診斷方法從原理上可以避免探針測量的種種缺陷,但由于對推力器光輻射機理認識不全面,導致測量區(qū)域被局限在放電通道外部氣體稀薄區(qū)域、測量粒子種類少且準確性較低,在推力器研究中的應用很有限。針對霍爾推力器等離子體發(fā)射光譜診斷存在的缺陷,本文將總結和分析推力器光譜特性變化規(guī)律,從關鍵粒子的動力學行為研究出發(fā),構建各放電區(qū)域完善的光譜診斷模型,建立光譜診斷方法并進行誤差評估,最終實現(xiàn)推力器穩(wěn)態(tài)工作時各放電區(qū)域關鍵等離子體參數(shù)的定量準確測量和工作特性分析�；魻柾屏ζ鞴ぷ鳈C制與普通的直流等離子體放電過程存在明顯的差異,因此需要對推力器光譜特性變化規(guī)律進行系統(tǒng)的總結和分析,明確其光譜輻射動力學過程的特殊性。文中分別實驗測量譜線強度在放電通道內(nèi)和外部羽流區(qū)的分布,分析其在頻域上的變化規(guī)律,得到不同放電區(qū)域譜線躍遷上能級角動量量子數(shù)和光子計數(shù)占比之間的關系,證實通道內(nèi)外的電子能量分布函數(shù)存在差異。實驗測量譜線強度在放電通道軸向上的分布情況并分析其空域變化規(guī)律,結合譜線頻域特性,利用823.16 nm和828.01 nm原子譜線及484.43 nm離子譜線建立了劃分推力器放電區(qū)域的光譜方法。實驗研究光子在放電通道內(nèi)外的傳輸特性,得到不同陽極流量條件下來自2p_6能級的兩條譜線的分支系數(shù)比值變化規(guī)律,證實放電通道內(nèi)亞穩(wěn)態(tài)原子自吸收效應的存在,并結合自吸收理論計算得到譜線的光學厚度。實驗研究發(fā)射光譜信號漲落現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)推力器穩(wěn)態(tài)工作時譜線強度信號的起伏是由于發(fā)光機制的量子屬性、等離子體振蕩特性及光電轉換器件噪聲共同造成的,通過使用半導體制冷式CCD探測器kuro-sCMOS、對數(shù)據(jù)文件進行譜線中心波長附近的插值積分處理及取均值的方法,實現(xiàn)對信號強度起伏的抑制。對推力器羽流區(qū)光譜診斷常用的日冕模型及雙譜線比診斷方法進行檢驗,模型中采用通過全相對論B樣條R矩陣算法得到的最新氙原子作用截面數(shù)據(jù)。通過譜線殘差分析和與探針結果的對比,證實日冕模型并不能準確描述羽流區(qū)光輻射過程。根據(jù)理論計算與實驗測量結果的對比,發(fā)現(xiàn)離子的激發(fā)作用在羽流區(qū)和加速區(qū)不可忽略;結合第二章推力器光譜特性的研究結果,計算了亞穩(wěn)態(tài)原子在羽流區(qū)和加速區(qū)的產(chǎn)生和消耗機制,發(fā)現(xiàn)該類型中性粒子同樣參與到光譜輻射過程中。在日冕模型的基礎上額外考慮這兩種動力學過程,構建了新的速率平衡方程組,發(fā)展出適用于羽流區(qū)和加速區(qū)的“多譜線比”光譜診斷方法。選擇多個譜線組進行靈敏性分析,確認三組原子譜線組合用于等離子體參數(shù)的計算,對模型的可靠性進行分析,最后將光譜測量結果與探針結果以及數(shù)值模擬結果互相驗證。針對近陽極區(qū)和電離區(qū)的光譜量化診斷的難題,文中建立了一套完善的描述上述區(qū)域光譜輻射過程的碰撞-輻射模型。該碰撞-輻射模型包含73個氙粒子能級、主要的動力學過程以及相應的速率平衡方程組。利用該模型對發(fā)光過程中發(fā)揮重要作用的亞穩(wěn)態(tài)原子及帕邢2p態(tài)原子的動力學行為進行了計算分析,獲得其產(chǎn)生、消耗的途徑和頻率信息。通過研究碰撞-輻射模型中主要激發(fā)能級的動力學特性,發(fā)展出“多譜線比和”光譜診斷方法,通過對譜線的靈敏性分析,最終選擇10條原子譜線用于等離子體參數(shù)的計算,然后進行模型可靠性分析。將推力器典型工況下的光譜診斷結果與數(shù)值仿真結果進行對比,結合實驗測量的光譜信息,發(fā)現(xiàn)光譜診斷結果更為符合實際情況�；谏鲜龉庾V診斷方法,測量得到電子溫度、密度及中性原子密度等特征參數(shù)隨多種工況條件的變化規(guī)律,實現(xiàn)了對推力器放電通道內(nèi)部等離子體參數(shù)較為準確的實驗測量,并據(jù)此分析了宏觀放電參數(shù)對推力器電離過程的影響。使用氫氣作為示蹤粒子,光譜測量結合探針及仿真手段分析地面真空模擬裝置的背景氣體返流過程對推力器工作特性的影響,發(fā)現(xiàn)背景氣體會進入放電通道內(nèi)部并參與電離過程�；诠庾V診斷時間分辨率高的特點,使用高速相機對推力器啟動瞬態(tài)電離特性問題進行研究,發(fā)現(xiàn)點火后首個脈沖周期內(nèi)電子從陰極進入陽極過程中的能量及密度的變化規(guī)律與輝光放電過程存在相似之處。針對霍爾推力器等離子體參數(shù)測量的難題,本文構建了適用于霍爾推力器各放電區(qū)域的完善的光譜診斷模型和發(fā)射光譜診斷方法,并對其準確性、靈敏性、穩(wěn)定性和適用范圍進行了研究,將其應用于推力器工作特性的研究中。這套光譜診斷方法和相關的光譜物理模型對其他種類的電推進裝置和氙等離子體放電過程研究同樣具有參考意義。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：V439.4
【部分圖文】：

圖 1- 7 硼原子和一價氙離子譜線在不同放電電壓條件下強度的對比[40]Figure 1-7 Comparison of neutral Boron andsingly-charged ion emission lines totalintegrated intensities for varying dischargevoltage圖 1- 8 硼原子和一價氙離子譜線在不同陽極工質(zhì)流量條件下強度的對比[40]Figure 1-8 Comparison of neutral Boron andsingly charged Xenon ion emission lines totalintegrated intensities for varying anodepropellant flowrate

圖 1- 7 硼原子和一價氙離子譜線在不同放電電壓條件下強度的對比[40]Figure 1-7 Comparison of neutral Boron andsingly-charged ion emission lines totalintegrated intensities for varying dischargevoltage圖 1- 8 硼原子和一價氙離子譜線在不同陽極工質(zhì)流量條件下強度的對比[40]Figure 1-8 Comparison of neutral Boron andsingly charged Xenon ion emission lines totalintegrated intensities for varying anodepropellant flowrate

圖 2- 1 霍爾推力器 HET-P70 外形和工作原理圖Figure 2-1 Diagram of HET-P70 and thruster working mechanism從推力器的工作機制來說，最主要的物理過程是電子以碰撞形式將原子電離，在這一過程中除離子外還會產(chǎn)生其他的高能態(tài)粒子。高能態(tài)粒子命很短，會自發(fā)向低能態(tài)躍遷并輻射出不同頻率的光子，這就是推力器

【參考文獻】

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本文編號：2813223