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霍尔推力器通道内磁场对放电特性的影响研究

作　者: 鄂鹏
导　师: 于达仁；王晓钢
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 霍尔推力器磁场强度磁场梯度电子输运真空背压
分类号: V439.2
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

霍尔推力器是一种为航天器在轨运行提供微小推力的动力装置,具有高效率、高比冲以及高可靠性等优点,广泛地应用于航天器的轨道提升、位置保持、姿态控制等推进任务。近年来,随着大型卫星平台建设、微小卫星组网、深空探测等航天技术的不断发展,相应地对霍尔推力器的性能也提出了更高的要求,推动了其技术发展。霍尔推力器依靠磁场抑制电子轴向输运以建立强电场,从而实现等离子体束流加速,因而磁场是影响推力器放电特性及性能水平的关键因素之一,也是推力器性能优化的重要设计自由度。本文主要围绕磁场对推力器放电特性的影响规律展开研究,在此基础上进一步研究磁场对电子输运过程的控制,从而为磁场优化设计提供理论依据。本文的主要工作包括以下五个方面:1.基于磁场影响霍尔推力器运行的物理机理,系统地总结了霍尔推力器对磁场强度、磁场梯度的要求,将霍尔推力器放电通道内磁场的主要分布特点归结为出口处磁场强度和强场区轴向磁场梯度这两个量化参数,从而为分析磁场对霍尔推力器放电特性和电子输运过程的影响,得出与实际工况相匹配的磁场优化选择范围提供了研究思路。2.根据霍尔推力器对磁场强度和磁场梯度选择的物理要求进行了实验设计,采用光谱仪、多栅探针、实时频谱分析仪等测量仪器分别研究了磁场强度和磁场梯度对霍尔推力器放电特性的影响规律,并从分析推进剂的电离特性、离子流的加速特性和强场区的等离子体振荡特性入手,总结了磁场强度和磁场梯度的优选范围。3.在不同工况下(放电电压和推进剂质量流量),采用推力器的磁安特性和多栅探针伏安特性计算得出了放电通道出口截面处电子传导电流大小,并依据电子传导电流与当地磁场强度的关系分析了主导电子传导机制,通过F检验法进行了显著性分析和验证。4.分析了霍尔推力器通道内电子的能量耗散及加热机制,通过研究不同磁场强度下电子传导电流与电子温度的关系得出了电子的主导加热机制,此外,在霍尔推力器放电实验中首次发现了发生于特定磁场强度范围内的反常电子加热现象,并对这一现象所伴随的不同价态粒子组分变化进行了分析。5.基于优化磁场的选择很大程度上要依赖于外部的实验条件,针对外部真空背压对磁场选择的影响进行了分析。首先论述了真空背压影响推力器运行的机理——羽流效应、放电效应和表面沉积效应,然后设计实验研究不同真空背压下的推力器放电特性,分析真空背压大小对推进剂电离和加速过程的影响规律,据此最后给出了与推力器工况以及真空罐体几何尺寸相匹配的参考真空背压上下限。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
符号表  8-20
第1章绪论  20-41
  1.1 课题背景及研究意义  20-25
    1.1.1 课题来源  20
    1.1.2 电推进是未来航天推进领域的发展趋势  20-23
    1.1.3 磁场是影响霍尔推力器性能的关键因素之一  23-25
  1.2 霍尔推进技术的研究现状  25-30
    1.2.1 俄罗斯的研究现状  25-27
    1.2.2 美国的研究现状  27-28
    1.2.3 欧洲的研究现状  28-29
    1.2.4 其它国家的研究现状  29-30
  1.3 霍尔推力器通道内的磁场设计  30-39
    1.3.1 霍尔推力器通道内理想的外加磁场  31-37
    1.3.2 现有的磁场设计思想  37-39
  1.4 论文的主要内容及章节安排  39-41
第2章磁场强度对霍尔推力器放电特性的影响分析  41-78
  2.1 引言  41
  2.2 霍尔推力器对磁场强度选择范围的物理要求  41-42
  2.3 实验系统及其设计  42-53
    2.3.1 真空设备及供气系统  42-43
    2.3.2 实验样机  43-45
    2.3.3 诊断装置  45-47
    2.3.4 实验设计  47-53
  2.4 不同磁场强度下霍尔推力器的放电特性  53-73
    2.4.1 推力器的磁安特性  53-55
    2.4.2 推进剂的加速特性  55-60
    2.4.3 推进剂的电离特性  60-70
    2.4.4 强场区等离子体振荡特性  70-73
  2.5 优化磁场强度的选择分析  73-77
    2.5.1 推进剂质量流量对优化磁场强度选择的影响分析  74-76
    2.5.2 放电电压对优化磁场强度选择的影响分析  76-77
  2.6 本章小结  77-78
第3章磁场梯度对霍尔推力器放电特性的影响分析  78-98
  3.1 引言  78
  3.2 霍尔推力器对磁场梯度选择范围的物理要求  78-81
    3.2.1 磁场梯度的定性要求  79-80
    3.2.2 磁场梯度的定量要求  80-81
  3.3 实验设计  81-82
    3.3.1 磁场梯度设计  81
    3.3.2 诊断装置  81-82
  3.4 磁场梯度对霍尔推力器放电特性的影响  82-94
    3.4.1 放电电流  83-84
    3.4.2 推进剂的加速特性  84-89
    3.4.3 推进剂的电离特性  89-93
    3.4.4 强场区等离子体振荡特性  93-94
  3.5 磁场梯度的选择分析  94-97
  3.6 本章小结  97-98
第4章磁场强度对霍尔推力器通道内的电子传导和加热机制的影响研究  98-124
  4.1 引言  98
  4.2 电子横越磁场的输运机制概述  98-102
    4.2.1 电子的传导机制  99-100
    4.2.2 电子的加热机制  100-102
  4.3 磁场强度对霍尔推力器通道内电子传导特性影响分析  102-109
    4.3.1 霍尔推力器通道内理想的电导分布特性  103-104
    4.3.2 不同特征区域的电子传导电流  104-105
    4.3.3 不同特征区域的电子传导机制分析及验证  105-109
  4.4 磁场强度对霍尔推力器通道内的电子加热影响分析  109-118
    4.4.1 电子能量的耗散机制  109-113
    4.4.2 电子横越磁场过程中的加热过程分析  113-117
    4.4.3 电子反常加热现象  117-118
  4.5 关于磁场影响电子输运过程的研究展望  118-122
  4.6 本章小结  122-124
第5章工作背压对磁场选择的影响  124-142
  5.1 引言  124-125
  5.2 工作背压影响霍尔推力器运行的机理  125-126
    5.2.1 羽流效应  125
    5.2.2 回流效应  125-126
    5.2.3 表面沉积效应  126
  5.3 实验设计  126-129
    5.3.1 真空背压测量及调节  127-128
    5.3.2 实验诊断装置  128-129
  5.4 不同真空背压下推力器的放电特性  129-136
    5.4.1 背景气体返流参与放电后喷流离子的能量分布  129-133
    5.4.2 背景气体进入放电通道的深度  133-134
    5.4.3 背景气体对电子温度分布的影响  134-136
  5.5 工作背压的参考范围  136-140
    5.5.1 工作背压的上限  137-138
    5.5.2 工作背压的下限  138-140
  5.6 本章小结  140-142
结论  142-145
参考文献  145-161
攻读博士学位期间发表的论文  161-163
攻读博士学位期间参与的科研项目  163-165
致谢  165-167
个人简历  167

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