磁屏蔽霍尔推力器加速区放电特性研究

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霍尔推力器自应用以来以其高比冲、体积小、效率高等优势受到了各航天大国的重视,但是霍尔推力器一直存在通道侵蚀的问题,极大的限制了霍尔推力器的寿命。自磁屏蔽霍尔推力器概念提出以后,彻底解决了困扰霍尔推力器通道侵蚀的问题,极大的提高了霍尔推力器的使用寿命。磁屏蔽霍尔推力器以其独特的磁场位型设计改变了推力器通道出口附近的电离以及加速区的位置,进而其电离加速过程有别于传统的非磁屏蔽推力器,故研究磁屏蔽霍尔推力器加速区的放电特性对于认识磁屏蔽霍尔推力器的放电机理具有重要意义。本文主要从以下几个方面展开研究:首先,由于本文使用的推力器为本课题组最新设计的1.5kW磁屏蔽霍尔推力器,要研究该推力器加速区的放电特性就要对推力器整体的工作性能有全面的了解。本文主要利用法拉第探针与RPA探针相结合的诊断方法对该推力器在不同放电电压以及阳极流量下的磁安特性曲线、伏安特性曲线以及流安特性曲线进行测量研究,同时对比了其工作性能与传统非磁屏蔽推力器的差异。通过研究对该台推力器工作性能有了全面的了解,并通过伏安特性曲线确定了推力器在300V放电工况下的最佳励磁工作点,以及稳定工作的励磁范围,为接下来的实验提供了有利条件。其次,根据性能对比实验确定的实验条件利用朗缪尔单探针对加速区的放电参数进行诊断研究。本文的探针诊断方式有别于国外的探针诊断方法,其中讨论了束流对于探针测量的影响,根据评估结果采用探针收集面背对羽流的方式进行测量。在测量过程中讨论了阴极位置、阴极流量以及磁场强度对于磁屏蔽霍尔推力器加速区放电参数的影响。再次,针对磁屏蔽霍尔推力加速区等离子体与磁极表面的相互作用进行研究。主要利用专门设计的平面单探针以及法拉第探针对于磁极表面的等离子体参数进行测量研究,对比了不同阴极位置、阴极流量下加速区等离子体在磁极表面的分布情况,给出了造成磁极侵蚀的推测结论。另外针对磁极表面镀膜对于磁极表面与加速区等离子体之间的相互作用展开研究,实验发现磁极镀膜之后可以改善磁极表面的侵蚀情况。最后,通过PIC数值模拟的方法对实验中测量到的实验现象从微观上进行解释。模拟对于磁屏蔽霍尔推力器磁极表面侵蚀给出了合理解释,并提出对于磁屏蔽推力器磁极侵蚀与非磁屏蔽通道侵蚀是同一种物理机制,证实了离子轰击磁极表面是造成磁极侵蚀的主要原因。另外针对磁极镀膜实验通过数值模拟给出了造成镀膜后磁极表面等离子体分布差异的原因,并进一步分析了磁极镀膜之后对于内磁极侵蚀的影响。
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