变截面通道霍尔推力器等离子体束聚焦机理分析

《变截面通道霍尔推力器等离子体束聚焦机理分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题来源本课题受到国家自然科学基金项目(No.51006028)及十二五国防基础科研项目(B2320110×××)的资助。1.2研究背景及研究意义1.2.1研究背景霍尔推力器(HallEffectThruster,简称HET)是一种在正交的电磁场作用下电离工质原子并加速电离产生的离子，从而获得动能并获得较高比冲的静电推力[1]器。它的结构简单，比冲、效率及工作寿命等参数可媲美于其他同类电推进设备；同时其还具有功率密度高，控制精度高等特点。这些特性使它在各类航空任务中，如姿态调整、轨道修正、轨

2、道转换、动力补偿、位置固定、重新定[2]位、深空探测和星际航行等。霍尔推力器是目前广泛应用于卫星在轨迹深空[3,4,5]探测任务的电磁等离子体推进装置。图1-1霍尔推力器工作示意图霍尔推力器的内部结构及工作原理示意如图1-1所示。推进器的外形一般为轴对称结构。中部的放电腔室是由两个半径不同的陶瓷构件构成的。推进器工质一般为稀有气体，如氙气、氪气等。气体从位于一侧的阳极喷进放电腔室-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文后，与从阴极喷入的电子碰撞，发生电离。在由内外线圈之间的径向磁场和阴阳极之间的轴向电场形成的正交场的作用下，电离产生的电子向

3、阳极移动；离子则从另一侧喷出，产生推力。最终，高速的离子束与阴极产生的电子中和。随着航天任务的发展，越来越需要实现对卫星的精确控制、精确定位及变轨。小卫星、微小卫星及卫星组网等因为发射成本低、灵活性强、研发维护简单等优点，而广泛受到各航天大国的青睐。这些空间卫星平台均迫切需要高效[6,7]率的低功率霍尔推力器以满足航天任务的需求。下面分析一下低功率霍尔推力目前存在的问题。根据比冲和效率的定义，推力器的比冲和效率表达式见公式(1-1)。FgFIspI=;;η=PUI=(1-1)spddmg2Pa式中I——推力器的比冲(S)；spF——推

4、力器的推力(N)；m——推力器的工质流量(Kg/s)；aP——推力器的功率(W)；I——推力器的放电电流(A)；dU——推力器的放电电压(V)；dη——推力器的效率。考虑到霍尔推力器的实际工作过程，从一侧注入的工质必然会有一部分没有发生电离，这样只有经过电离的那部分工质才能对霍尔推力器的推力产生作[8,9]用。如果假设电离产生的离子均为一价离子，可以得到推力表达式(1-2)：M2eUiaFI≈=υυ;(1-2)iiieMi式中M——工质的离子质量(Kg)；ie——基本电荷(C)；I——推力器通道出口处的离子电流(A)；iυ——推力器通

5、道出口处的所有离子的平均速度(m/s)；iU——离子的加速电压(V)。a由于存在电压损失，UU<。那么，推力器的比冲和效率可转化成公式ad-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(1-3)。ηυpiMIiiI=;;ηηηη=≈(1-3)sppePgema式中η——工质利用率；pη——电压利用率，指放电电压中用于加速离子部分的比例。e此外，推力器的放电电流I由电子电流I和离子电流I组成，即III=+；deidei[1]而根据准中性的假设，可以知道Im。da从霍尔推力器的功率表达式来看，在保持推力器比冲的优势的前提下，降低霍尔推力器的功率

6、可以通过降低放电电流实现。而实际上可以通过降低工质流量来降低放电电流。然而降低工质流量却会带来新的问题。这是因为在霍尔[10]推力器中，根据准中性假设，电子数密度见公式(1-4)：ηmpan≈=;2Sπrh(1-4)emMSυii-3式中n——电子数密度(m)；e2S——放电通道截面积(m)；r——放电通道中部半径(m)；mh——放电通道宽度(m)。原子发生电离，必须与电子发生碰撞。而原子与电子发生碰撞的平均自由[11]程见公式(1-5)：MSυυiiaλ=(1-5)iηmσυpaie式中υ——原子的运动速度(m/s)；a2σ——原

7、子的碰撞截面(m)；iυ——电子的运动速度(m/s)。e发生充分电离的一个准则见公式(1-6)：λ=KL⋅(1-6)iλ式中L——放电通道长度(m)；K——充分电离准则数，K1。λλ从公式(1-5)可以看出，即使保证工质利用率η不变，当工质流量m降低时，pa-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文原子发生碰撞电离的概率也会降低，进而导致了工质利用率的降低。霍尔推力器降低工质流量后，工质利用率随之降低，结果造成了霍尔推力器整体性能的降低。为了解决这个问题，学者们研究了尺寸更小的霍尔推力器，[12][13]比如麻省理工学院设计的Mini-S

8、PT，普林斯顿大学设计的CHT。Mini-SPT的外径直径尺寸仅为3.7mm，这种小尺寸结构可以提升工质流量降低后放电通道内的原子数密度。设计功率为50W，效率为50%；实验结果为功率达到100W，效率仅为