霍尔推进器预电离对低频振荡及壁面腐蚀影响的机理研究

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1、硕士学位论文霍尔推进器预电离对低频振荡及壁面腐蚀影响的机理研究THEEFFECTOFPRE-IONIZATIONONLOWFREQUENCYOSCILLATIONANDWALLCORROSIONINHALLTHRUSTER权路路哈尔滨工业大学2015年06月国内图书分类号：V439+.2学校代码：10213国际图书分类号：621.455密级：公开工学硕士学位论文霍尔推进器预电离对低频振荡及壁面腐蚀影响的机理研究硕士研究生：权路路导师：曹勇副教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨

2、工业大学ClassifiedIndex:V439+.2U.D.C:621.455DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHEEFFECTOFPRE-IONIZATIONONLOWFREQUENCYOSCILLATIONANDWALLCORROSIONINHALLTHRUSTERCandidate:QuanLuluSupervisor:AssociateProf.CaoYongAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:Mechatr

3、onicsEngineeringAffiliation:ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence:June,2015Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要霍尔推进器（HallThruster）是一种利用正交电磁场作用来实现工质原子电离以及粒子加速的装置，由于具有效率和比冲较高，寿命较长的特点，近年来在深空探测和微小卫星姿态控制等领域获得了广泛的应用。但是，在航天器任务向多元化发展的大背景下，人们对于霍尔推进

4、器的工作寿命和工作状态的稳定性要求也越来越高。实验证明，预电离可以对放电腔内的物理过程以及稳态下的物理参数产生影响，但是具体的影响过程以及预电离率的确定还没有人做过系统分析，本文即针对预电离对象对低频振荡以及缓冲腔的壁面腐蚀状况展开研究。首先，本文建立了基于fully-kineticPIC-MCC（质点网格法-蒙特卡洛碰撞法）算法的二维轴对称模型来对霍尔推进器放电通道内的物理过程进行数值模拟，该程序模型包括三部分：计算模型的建立及参数设置，等离子体模拟程序以及腐蚀计算程序。其中，由于PIC算法计算量巨大，通常采用缩放粒子质量以及增大介电常数的方

5、法来加快计算收敛，本文通过缩小不同倍数的重粒子质量探究了缩放粒子质量这种加速方法对霍尔推进器稳定形态物理参数的影响，并根据模拟结果选择了合适的缩放倍数。其次，低频振荡是霍尔推进器工作状态中观察到的一种放电电流自发震荡的现象。新型霍尔推进器在原有霍尔推进器的基础上增加了缓冲腔，实验证明缓冲腔的增加有效抑制了放电通道的低频振荡。本文的主要模拟工作就基于霍尔推进器放电通道内低频振荡现象的抑制来展开，通过在原子入射时增加不同的离子数来模拟不同预电离的等离子体，然后将不同预电离率下得到的放电电流进行快速傅里叶变换得到震荡频谱，并分析预电离与低频振荡之间的

6、相互关系。此外，本文还模拟了SPT-100型Hall推进器的壁面腐蚀过程，探究了预电离对推进器壁面腐蚀的影响，其中壁面腐蚀的速率是根据壁面材料的溅射产额公式计算得出的。通过给出缓冲区不同的预电离率，分析与之相对应的预电离率作用下器壁腐蚀演化的规律。研究结果表明，随着预电离率的逐渐增大，霍尔推进器放电通道内的低频振荡现象有所减弱，但是放电通道的壁面腐蚀状况却也随之增加。因此，基于预电离能够抑制低频振荡却加剧腐蚀的特性，在进行新一代推进器的研发过程中要合理选择预电离率以提高推进器的综合性能和寿命。关键词：霍尔推进器；低频振荡；预电离；器壁腐蚀-I-

7、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractHallthruster,atypeofelectricpropulsionwithlonglifetime,isanideallowthrustdeviceforlongmissionssuchassatellitestationkeepinganddeepspaceexploration.Becauseofitsgoodoverallperformance,suchashighspecificimpulse,highpropulsionefficiencyandlonglifetime,Hall

8、thrusterhasbeenwidelyusedforspaceexploremissionsofvariousspacecraft.Recentl