磁零点及通道宽度对霍尔推力器性能影响的数值研究

磁场位形和通道尺度会改变霍尔推力器等离子体放电过程,影响推力器的宏观放电特性。为分析磁场和通道宽度对推力器放电性能的影响规律,本文针对霍尔推力器轴对称通道结构和放电物理过程建立2D3V物理模型,采用粒子模拟方法研究了霍尔推力器磁零点磁场位形不同通道宽度的电势、粒子数密度、电子温度、电离速率、比冲及推功比的变化规律,结果表明：在具有磁零点磁场位形下,随着通道宽度增加,通道出口处电势降增加,加速区缩短,离子径向速度减少,壁面腐蚀降低;当磁零点位置在内壁面,推力器通道宽度由14 mm增加到16 mm时,推力器比冲和推功比增大,推力器放电效率提高;当磁零点位置在通道中轴线或外壁面,且通道宽度大于14 mm时,推力器比冲增大,推功比减小,推力器效率下降。     

磁场对霍尔推力器放电特性及性能参数影响的粒子模拟研究

磁场强度及位形对霍尔推力器放电过程有显著影响。根据霍尔推力器通道尺寸和等离子体放电过程建立二维物理模型,采用粒子模拟方法,研究了不同磁场强度及位形等离子体放电特性,讨论了推力、推功比及放电电流的变化规律。模拟表明:当中轴线磁场强度峰值小于200G时,磁场对电子轴向传导约束减弱;当磁场强度峰值在200G～420G时,电子温度、电离率及电子与壁面碰撞频率降低,出口处离子径向速度增大,壁面腐蚀增加;当磁场强度峰值为280G时,加速区最短,放电电流最小。不同零磁点磁场位形会改变通道电离区和加速区位置,影响推力器放电性能。     

宏观放电参数对大功率霍尔推力器点火启动过程初始阶段影响的研究

为研究宏观放电参数对大功率霍尔推力器点火初始阶段的影响,首先在一台10 kW霍尔推力器上实验测量了点火初始阶段不同宏观放电参数下的阳极电流变化特性,然后采用PIC数值模型计算了不同放电电压和质量流量下点火初始阶段阳极电流和离子密度的变化特性。结果表明:增大放电电压与质量流量都能够增大点火启动过程初始阶段阳极电流的上升斜率,而增大磁场强度会降低点火启动过程初始阶段阳极电流的上升斜率;放电电压和质量流量的改变不会引起点火初始阶段电子和中性气体发生碰撞电离位置的改变。     

超大功率霍尔推力器放电参数影响仿真及试验

针对超大功率霍尔推力器放电参数特性评估,开展放电电压和流量等参数变化对性能影响的仿真及试验研究,以确定推力器设计最优匹配的放电电压及放电电流工况。建立了Particle-in-Cell(PIC)数值仿真模型,并搭建了HET-450大功率霍尔推力器试验平台;针对变放电电压、变流量下推力器放电特性,仿真计算给出了放电通道内原子密度、电势以及电子温度等分布,探究了推力器电离和加速运行机理,进一步,结合试验,开展了放电电流、推力等比对分析。结果表明：放电电压从300V增加至500V过程中,电离效率逐渐提升,因而放电电流、推力以及阳极效率均递增,而继续增加放电电压则会导致过热场的产生,离子与壁面作用增强导致电离出的离子再次复合,工质利用率下降的同时壁面损失增加,宏观表现为阳极效率的下降。此外,仿真与试验所获得放电电流、推力等结果符合良好,说明建模合适;在500V,80mg/s条件下,推力达2.1N、阳极效率60%,达到设计要求,表明设计合理有效。     

P70霍尔推力器新型缓冲腔磁路对预电离及放电的影响

为有效利用从P70霍尔推力器放电通道进入缓冲腔的快电子能量,考虑两个磁场特征以提高缓冲腔预电离率。一是提高磁感应强度,二是缓冲腔内从气体分配器到放电通道方向的负梯度。采用FEMM有限元磁场计算软件,在不改变推力器电离和加速通道内优化磁场特征的前提下,设计的新型缓冲腔磁路满足上述磁场特征。放电实验结果表明,在新型缓冲腔磁路下放电电流低频振荡幅值更小。新型磁路有助于延长推力器寿命,有助于电离和加速通道内电离与加速区的分离。     

真空室氢组分背压对霍尔推力器等离子体束聚焦特性的影响研究

基于光谱方法和羽流探针诊断方法,研究分析了氢组分压力对霍尔推力器束流聚焦特性和振荡特性的影响。研究结果表明,随着罐内氢组分压力的提高,通道内氢的特征谱线强度增强,相比pH=0Pa,pH=0.04Pa下最大HI=652.6nm相对谱线强度增加了8~9倍。氢组分向通道内的返流影响通道内的工质电离和离子加速过程,进而导致推力器束流特性变差,且伴随着低频振荡增大。当pH=0.04Pa时,羽流发散半角为41.5°,相比pH=0Pa条件下增加了24.5°。     

多模式离子推力器流率特性实验研究

为了实现多模式离子推力器在宽功率范围内最优性能和可靠性,基于30cm多模式离子推力器通过实验开展了阴极和中和器羽状模式转变点流率、放电电压30V对应阴极流率和放电损耗曲线与束电流关系研究。30cm多模式离子推力器束电流从0.3A增加到3.3A时,阴极羽状模式转变点流率值从0.017mg/s增加到0.163mg/s,放电电压30V对应阴极流率从0.129mg/s增加到0.231mg/s,中和器羽状模式转变点流率从0.030mg/s增加到0.191mg/s。随放电室工质利用率的增加,在小束电流下放电损耗迅速增加;当束电流大于1.5A时,放电损耗对放电室工质利用率的变化较为迟钝。基于上述流率特性实验结果完成了30cm多模式离子推力器宽功率范围35个工作点下最佳流率设计。在设计的工作流率下,放电电压小于30V,阴极和中和器均工作在点状模式,实测推力为9.6mN~185.2mN、比冲为1332s~3568s、功率为258W~4761W。     

圆柱形阳极层霍尔推力器内轮辐效应的实验研究

为了研究圆柱形阳极层霍尔推力器内关于电子反常输运的轮辐效应(Rotating Spoke),分别采用高速相机和静电探针来捕捉圆柱形阳极层霍尔推力器内的轮辐效应图像和等离子体震荡频率。结果表明:在放电电压350V,放电电流3.5A,阳极上表面处的磁场强度为125Gs,工作气压为2×10-2Pa时,由测得轮辐效应的放电图像和波形可知,轮辐效应的频率为10kHz～12.5kHz。当磁场强度增加到205Gs,放电电流增加到4A时,轮辐效应的频率增加到25kHz,并且轮辐效应出现分裂和合并现象。此研究结果表明,圆柱形阳极层霍尔推力器内不仅存在轮辐效应现象以及角向电场,而且不同的工作参数会有不同的轮辐效应模式和频率。     

LHT-100自励磁霍尔推力器热特性测试和热真空实验研究

为了验证LHT-100自励磁霍尔推力器工作状态的热特性和空间环境适应性,对霍尔推力器进行了工作状态热特性测试和热真空实验研究,给出了LHT-100霍尔推力器在工作状态下关键部位的温度升高和自然降温规律,分析了自励磁霍尔推力器在常温下启动达到热平衡过程中的推力、比冲、放电损耗等随时间的变化规律,并在带过渡板情况下开展了霍尔推力器的热真空环境实验。实验结果表明:LHT-100自励磁霍尔推力器在工作近3.5h内达到热平衡,关机5h后霍尔推力器整体温度自然降至室温,在常温下启动达到热平衡过程中霍尔推力器的放电电流、推力、比冲、放电损耗等指标在正常范围内,霍尔推力器在热真空环境中启动和工作正常,霍尔推力器零部件及其材料对高低温变化环境的稳定性和适应性较好,能够适应高低温变化的环境影响。     

Hall推力器一维流体模型的小波解

不同于传统的离散差分求解,采用小波方法求解了反映Hall推力器工作原理的一维流体模型。对计算结果进行分析表明,小波解准确地描述了推力器的轴向放电特性以及低频振荡特性。同时,小波解显示,在一定范围内提高预电离度能减小放电电流振荡幅值,与实验结果吻合,但小波解指出提高预电离度会使得放电稳定性变差,这是之前没有被发现的。小波解提供了一种更加深入理解Hall推力器的新视角。     

霍尔推进器磁屏蔽对磁场的优化效应研究

为研究磁屏蔽对霍尔推进器磁场位形分布的影响，以轴对称环形霍尔推进器为研究对象，采用FEMM软件对各种磁屏蔽情况下的磁场分布进行仿真；结合流体模型，利用四阶龙格库塔方法对放电通道内各粒子的输运性质进行研究。结果表明：内外磁屏蔽材料高度变化时磁场位形存在最优分布；电子温度在放电通道出口附近达到最大值，约64eV。离子化频率和电子轴向有效散射频率峰值也出现在通道出口附近。     

Coupling plasma plume of a low-power magnetically shielded Hall thruster with a hollow cathode

The coupling region of a Hall thruster with a hollow cathode is the region between the cathode and the thruster plume. The characteristics of plasma in that region are complicated and strongly associated with the thruster working conditions and the cathode position. In this paper, a laboratory 100 W class magnetically shielded Hall thruster was coupled with a hollow cathode. Optical imaging and electrostatic probe were employed to monitor and scan the plasma plume. Plume characteristics in the coupling region in non-self-sustained mode and self-sustained mode were compared. Evolution of the coupling plume with the cathode position was studied. Experiments show that, when turning the thruster into self-sustained mode or moving the cathode further away axially, the discharge current can be reduced by 6.4–10.6% restraining the electron current and improving ionization. In particular, when the cathode is moved further, the electron conduction near the channel walls is suppressed. The electron current is reduced by 27.4% and the ion beam current is increased by 7%. Overall, this work shows that the working mode of the thruster and the position of the cathode greatly affect the coupling plasma plume. Both play an important role in improving the utilizations of propellant and current.     

用Xe和Kr作为霍尔电推进工质的比较

氪气作为一种惰性气体,其在地球上的资源相对于氙气要丰富很多,因此,作为氙气替代物的氪气研究,对于霍尔电推进系统的全面空间应用具有重要的意义。对亚千瓦级霍尔推力器使用氪气作为推进剂的性能、羽流进行了研究,并与氙气推进剂进行了比较。通过氪/氙气推进剂性能的比较,得出亚千瓦级霍尔推力器使用氪气作为推进剂时,性能有较大的下降,但是在大阳极流量、高功率工况下性能有变好的趋势。通过对氪/氙气羽流电子温度、电子密度、离子电流密度、离子能量的比较分析,找出了影响氪气推进剂性能的部分因素,为下一步氪气的应用研究工作提出了改进的方向。     

两种会切场离子推力器对比研究

环型会切场离子推力器和柱型会切场离子推力器是当前广泛应用和研究的两种会切场离子推力器。基于30cm环型会切场离子推力器LIPS-300H和30cm柱型会切场离子推力器LIPS-300Z,对比研究了两类会切场离子推力器各自优劣及其机理。首先分析了两种会切场原理,总结给出了两种会切场差异,然后实验对比研究了两种会切场离子推力器束流均匀性、放电效率和寿命。实验结果显示：LIPS-300H相比LIPS-300Z在3kW和5kW工况下束流密度峰值分别降低25%和19%,放电电压分别降低7.8V和6.2V,放电损耗分别增加20W/A和32W/A,屏栅预测寿命分别增加6.7倍和3.2倍。试验结果表明：虽然LIPS-300Z比LIPS-300H具有放电损耗低的优点,但其较差的束流均匀性,较高的阳极电压和双荷离子比,使其在寿命和可靠性方面劣于LIPS-300H。     

激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程实验研究

为了加深对激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程的认识，本文对有无陶瓷隔离板和不同初始电压下的激光支持的脉冲等离子体推力器进行了实验研究。利用放电伏安特性对比了放电特性参数和性能参数，然后利用结合窄带滤光镜的高速摄影技术揭示了性能差异背后的物理过程变化。结果表明，陶瓷隔离板可以有效避免放电电弧对工质的烧蚀，这可以抑制滞后烧蚀的产生，从而提高推力器的推进性能。对激光烧蚀产生的工质的电离和加速是在多次振荡放电过程中进行，而不像理想电流片模型那样只电离和加速一次。放电通道内工质的电离和加速效果最为显著的时间为放电的第2个半周期。随着初始电压的增加，单位放电能量产生的推进性能先增加后趋于平稳，然后继续增加。单位放电能量产生的推进性能在初始电压高于2050V后得到较大的提高，通过放电等离子体图像推测，这意味着附着等离子体电弧的存在对推力器性能的提高有重要影响。     

电子回旋共振离子推力器放电室低信号调试

微波输入技术是电子回旋共振离子推力器的关键技术之一,输入微波在推力器放电室内产生谐振的时候,微波功率才能高效地被吸收,从而电离气体,提高电子的能量,增加等离子体的电离度。电子回旋共振离子推力器放电室是一个不规则的微波谐振腔,很难从理论上确定其谐振状态下的结构。本文利用网络分析仪,采用微波无源器件回波损耗的测试方法对放电室进行精确调谐,分析微波谐振频率及带宽,目的在于详细研究放电室的结构尺寸、微波耦合探针形状和尺寸在谐振状态下的匹配性。调试结果表明放电室增加14 mm圆柱段,选择圆柱段长度22 mm和球形直径9 mm的组合探针,可以得到较好的谐振状态,此时腔体的回波损耗为-23 dB,谐振频率4.195 GHz,谐振带宽为0.025 0 GHz,品质因素为167.848。