霍尔推力器背景磁场优化及其对等离子体特性影响的数值研究

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随着人们对太空探索的增多,推进技术得到了长足的发展。许多推力器被研制出来。其中,霍尔推力器以其效率高、比冲大、使用寿命长以及推力精细等优点获得了广泛地应用。霍尔推力器中物理过程十分复杂,其中许多机制还不是很清楚,为了提高推力器在实际应用中的效率,弄清楚这些物理机制很重要。此外,推力器的尺寸很小,进行实验研究具有一定的难度,因此,关于推力器物理机制的理论以及模拟的研究十分必要。本文数值模拟了霍尔推力器中的磁场,对磁场进行了优化研究;以模拟出来的磁场作为背景磁场,对霍尔推力器中等离子体进行了二维流体模拟,研究了背景磁场对等离子体特性的影响。霍尔推力器中,磁场会约束电子运动,却不足以约束离子,离子被电场加速,进而被喷出。磁场位形会对推力器的电势分布产生影响,进而影响推力器的整体性能。历史上推力器性能的提升都伴随着磁场位形的优化。因此,研究影响磁场位形的因素是十分必要的。本文数值模拟了磁屏,磁极和辅助线圈对磁场位形的影响。研究发现磁屏与磁极之间的缝隙大小会对通道中的磁场强度和磁镜比产生影响;内磁极高于外磁极时,出口处磁力线与出口截面平行,是一种相对更优化的磁场位形;辅助线圈电流强度会影响磁场强度和“零磁区域”位置,电流增大时,磁镜比增大,磁场梯度随着线圈与阳极距离变小而变大。推力器中,电子传导、电子漂移、电子碰撞等物理过程都对霍尔推力器的性能有很大的影响。本文采用二维流体模拟的方法,讨论了磁场对电子运动的影响。由于电子、离子的时间尺度相差很大,对离子做了漂移扩散近似,对电子采用普通的流体模型。通过对数值解的分析发现,当磁场强度大于某一值时,磁场能够很好的约束电子的轴向传导;当磁场强度变大时,环向速度会先变大然后再变小。等离子体特性对推力器性能有非常大的影响。因此,对它的研究十分重要。本文利用二维流体模拟(忽略了电子以及离子动量方程中的惯性项)研究了通道中等离子体的分布。采用有限差分法对模型进行了离散求解,分析了不同磁场对等离子体物理特性的影响。根据数值结果,通道中出现了频率在MHz量级的高频震荡。加入磁屏,频率变小。出口处磁力线准直性下降,更高频率的不规则震荡变明显。存在“零磁区域”时,高频不规则震荡得到抑制,同时MHz量级震荡的频率增大。当磁力线凸向阳极的时候,等离子体分布集中在通道中央;“零磁区域”的存在使密度峰值远离阳极。
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