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大高径比霍尔推力器的理论与实验研究

作　者: 李杰
导　师: 李勇；于达仁
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: 霍尔推力器大高径比设计壁面效应环形效应磁场设计优化
分类号: V439.2
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

霍尔推力器是一种具有高比冲、高效率及高可靠性等优点的电推进装置,已经广泛用于卫星姿态控制、轨道修正和转移、动力补偿等多种航天任务。丰富并且成功的飞行应用经验证明霍尔推力器具有作为未来航天主推进装置的优势。因此,研制高功率,高性能指标的霍尔推力器成为其发展的主流方向之一。由于目前以相似理论为基础设计出的霍尔推力器普遍具有窄放电通道,大体积,高重量等结构特点,使得高功率霍尔推力器结构不够优化,整体推重比较小。同时,霍尔推力器工作时还存在等离子体聚焦水平低,器壁腐蚀和羽流发散严重的现象,这些都成为制约霍尔推力器推广应用的瓶颈。所以综合考虑对推力器结构减重、突破壁厚决定寿命的限制以及有效抑制羽流发散等实际问题,首次提出了大高径比(通道宽度与通道内径之比)霍尔推力器的设计理念。本文对比了广泛应用于生产生活中的透平机械与霍尔推力器之间的相似之处,并充分调研、类比了透平机结构设计的发展历程,对大高径比设计思想的提出进行了诠释。根据霍尔推力器中的基本物理过程给出大高径比设计特点的一般性概念及特征参数的定义方式。在此基础上提出由大高径比设计特点引发的一些关键性问题,为后续研究指明方向。文中的研究重点是对大高径比设计特点所引发的一系列问题进行逐一解决。首先,在大高径比霍尔推力器中通道宽度增加是其显著特征之一。这一变化将会削弱推力器的壁面效应从而对电离特性产生影响。本文在分析电离特性影响因素的基础上,提出了相应的表征参数。通过设计变通道宽度实验获得了宽度增加后电离参数的主要变化规律。结合基于蒙特卡洛碰撞方法的二维粒子模拟结果分析了壁面宽度在影响电子能量平衡过程中的重要作用,解释了电离区宽度、位置等参数随壁面效应差异而发生变化的原因。其次,针对大高径比设计使环形效应增强进而对加速特性产生影响的物理问题进行了实验和数值模拟方面的研究。明确了反映加速特性的两个基本要素,即加速区强电场建立和离子运动。得到了不同环形效应下的离子运动特点和分布特性。根据电场形成对电子运动的依赖关系,分析了磁场径向分布差异对电子周向漂移和轴向传导运动的影响,找到了由环形效应加剧而使加速特性变差的原因,并阐明了相应的物理机制。再次,研究了霍尔推力器通道内和羽流区的离子束流聚焦问题,重点研究了利用磁场设计优化手段控制离子运动的方法。提出了磁场形貌的两个定量化表征参数,即磁力线曲率和倾斜角,研究了曲率与放电电压之间的匹配关系以及倾斜角控制羽流状态的方法,对抑制离子径向流动起到了积极作用。最后,在建立离子一维径向运动模型的基础上,研究了参数径向分布不对称与高径比之间的关系。结合对国内外霍尔推力器高径比的调研结果,确定了大高径比特征的判定标准。在此基础上设计了一台大高径比实验样机,并进行了性能实验,其结果证实了大高径比设计理念的可行性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-28
  1.1 课题背景与研究意义  14-17
    1.1.1 课题来源  14
    1.1.2 研究背景及意义  14-17
  1.2 HET 技术发展现状及趋势  17-20
    1.2.1 俄罗斯研究现状  17-18
    1.2.2 美国研究现状  18-19
    1.2.3 欧洲国家研究现状  19-20
    1.2.4 国内研究现状  20
  1.3 HET 壁面效应和环形效应研究现状  20-24
    1.3.1 壁面效应研究现状  20-22
    1.3.2 环形效应研究现状  22-24
  1.4 磁路设计及磁场优化研究现状  24-26
  1.5 本文的主要研究内容  26-28
第2章大高径比霍尔推力器的概念及关键问题  28-50
  2.1 引言  28-29
  2.2 透平机设计发展历程对HET 研究的启示  29-30
    2.2.1 透平机叶片长度的发展  29
    2.2.2 透平机叶片形貌的演变过程  29-30
    2.2.3 结构设计方法的发展历程  30
  2.3 大高径比HET 概念的由来  30-34
    2.3.1 HET 放电通道结构发展趋势  30-33
    2.3.2 大高径比HET 的概念  33-34
  2.4 大高径比设计引发的一些关键问题  34-37
    2.4.1 大高径比结构特征的判定标准  34-35
    2.4.2 大高径比HET 中基本物理过程  35-37
    2.4.3 离子束流聚焦的设计优化方法  37
  2.5 主要研究方法  37-49
    2.5.1 二维粒子模拟  38-42
    2.5.2 实验环境和测量设备  42-49
  2.6 本章小结  49-50
第3章通道宽度对HET 电离特性影响的实验和理论分析  50-77
  3.1 引言  50
  3.2 HET 电离特性的影响因素及表征参数  50-53
    3.2.1 HET 电离过程及影响因素  50-51
    3.2.2 表征电离特性的参数  51-53
  3.3 变通道宽度条件下的电离特性实验  53-64
    3.3.1 实验准备及运行条件  53-59
    3.3.2 实验结果与分析  59-63
    3.3.3 实验结果小结  63-64
  3.4 变宽度中壁面影响电离特性的理论研究  64-75
    3.4.1 数值模型及算例分析  64-71
    3.4.2 壁面效应影响电离特性的理论分析  71-75
  3.5 小结  75-77
第4章环形效应影响HET 离子加速特性的实验与理论研究  77-96
  4.1 引言  77
  4.2 HET 离子加速特性的基本理论  77-80
    4.2.1 HET 加速区强电场的建立  77-79
    4.2.2 离子运动特点分析  79-80
  4.3 不同环形效应下的离子加速特性实验和数值模拟  80-89
    4.3.1 实验样机及运行工况  80-83
    4.3.2 实验结果  83-87
    4.3.3 PIC 数值模拟结果  87-89
  4.4 环形效应对加速电场影响的理论研究  89-94
    4.4.1 磁场设置  89
    4.4.2 磁场径向分布差异对电子周向霍尔漂移运动的影响  89-91
    4.4.3 磁场径向分布差异对电子轴向传导运动的影响  91-93
    4.4.4 磁场径向分布差异对电场影响的理论分析  93-94
  4.5 小结  94-96
第5章霍尔推力器离子束流聚焦的磁场设计优化  96-111
  5.1 引言  96
  5.2 磁场形貌的定量化表征参数  96-100
    5.2.1 磁力线曲率  97-98
    5.2.2 出口磁力线倾斜角  98-100
  5.3 提高通道内离子束流聚焦水平的磁场设计方法探讨  100-106
    5.3.1 曲率与放电电压匹配关系的理论基础  100-101
    5.3.2 放电电压和曲率匹配关系实验  101-103
    5.3.3 PIC 数值模拟结果  103-105
    5.3.4 实验和计算结果小结  105-106
  5.4 提高羽流区离子束流聚焦水平的磁场设计方法研究  106-110
    5.4.1 倾斜角对羽流影响的实验研究  106-108
    5.4.2 理论分析  108-110
  5.5 本章小结  110-111
第6章大高径比霍尔推力器的设计及性能实验  111-122
  6.1 引言  111
  6.2 大高径比HET 的设计  111-119
    6.2.1 HET 具有大高径比特点的判定标准  111-117
    6.2.2 大高径比HET-P80 样机  117-119
  6.3 P80 性能实验  119-121
    6.3.1 伏安特性  119
    6.3.2 羽流聚焦特性  119-120
    6.3.3 工质和电流利用率  120-121
  6.4 本章小结  121-122
结论  122-125
参考文献  125-134
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  134-136

大高径比霍尔推力器的理论与实验研究

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