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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1、犬裡－大學ＤＡＬＩＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ倾士雰位文ＭＡＳＴＥＲＡＬＤＩＳＳＥＲＴＡＴＩＯＮ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等离子体物理受齡、，丨丨——————作者姓名刘悦教授指导教师一一＿一―——２０１５年６月答辩日期硕士学位论文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ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｔｕｄｏｎＢａｃｋｒｏｕｎｄＭａｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄＯｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｙｇｇｐａｎｄＩｔｓ

2、ＥｆｆｅｃｔｏｎＰｌａｓｍａＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎＨａｌｌＴｈｒｕｓｔｅｒ作者姓名；马照帅学科、专业：等离子体物理２１２０２０８１：学号指导教师：刘悦完成日期：２０１５年５月大ｉ理工大旁ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请

3、学位或其他用途使用过的成果一。与我同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。ｆ兑Ｍｍｍｍｎｆｍｎｍｘ学位论文题目：＇，丨〖、２０：日作者签名：项Ｉｆ日期５年月？大连理工大学硕士学位论文摘要。。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

4、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，进，离子被电场加速而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。

5、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晌；内磁极髙于外磁极时，出口处磁力线与出口截面平行一，种相对更优化的磁场位形是；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，磁场梯度随着线圏与阳极距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，对电子釆用普通的流体模型

6、。通一过对数值解的分析发现，，当磁场强度大于某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Ｍｆｅ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

7、制，同时法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。关键词：霍尔推力器；磁场；电子运动；高频震荡；流体模拟－－Ｉ社⑷推力器背景磁炀优化及其对￥离子体特性影响的数值研究ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｔｕｄｏｎＢａｃｋｇｒｏｕｎｄＭａｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄＩｔｓｙｇＥｆｆｅｃｔｏｎＰｌａｓｍａＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎＨａｌｌＴｈｒｕｓｔｅｒＡｂｓｔｒａｃｔＡｓｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｍｉｓｓｉ

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