霍尔推进器通道器壁腐蚀的数值模拟

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1、硕士学位论文霍尔推进器通道器壁腐蚀的数值模拟NUMERICALSIMULATIONOFHALLTHRUSTERDISCHARGECHANNELWALLEROSION李擎宇哈尔滨工业大学2014年12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：公开工程硕士学位论文霍尔推进器通道器壁腐蚀的数值模拟硕士研究生：李擎宇导师：曹勇副教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2014年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V439+.2U.D.C:621.455DissertationfortheMas

2、ter’sDegreeofEngineeringNUMERICALSIMULATIONOFHALLTHRUSTERDISCHARGECHANNELWALLEROSIONCandidate:LiQingyuSupervisor:AssociateProf.CaoYongAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:MechanicalEngineeringAffiliation:ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence:December,2014Degree-Conferring-Institut

3、ion:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要霍尔推进器是电推进器的一种，因具有高效率、高比冲、长寿命和易操作等特点，在深空探测和微小卫星姿态控制等领域获得了成功应用，已成为航天领域的重要研究方向。随着航天器向执行任务更加复杂化，执行任务周期不断增加的趋势发展，也对霍尔推进器的工作寿命提出了更高的要求。提高霍尔推进器的工作寿命与工作稳定性成为电推进技术发展中的关键问题。在限制霍尔推进器的寿命因素中，放电通道器壁的溅射腐蚀是最主要因素。霍尔推进器的基本特征是具有环形的放电通道，电子在通道内电磁场的作用下形成霍尔漂移，通道内电离产生的离子在电

4、场的加速下高速喷出从而形成反冲力来推进航天器。在放电通道内，由于电场与磁场等各种因素的影响，导致通道内部分高速离子束聚焦不好而发散，溅射到通道器壁表面，对通道的器壁形成溅射腐蚀，腐蚀的累积会严重影响推进器的正常工作。随着放电通道器壁的腐蚀，推进器的磁极会暴露在高能离子流的侵蚀之下，导致通道内的磁场位形被破坏，推进器性能下降，无法正常工作。霍尔推进器放电通道器壁被腐蚀成为制约推进器寿命和影响运行稳定性的最重要问题，因此研究霍尔推进器放电通道腐蚀机理具有重要意义。本文建立了基于PIC-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通道壁面腐蚀过程进行数值模拟，该程序模

5、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。本课题采用Fully-KineticPIC-MCC方法对通道内等离子体的运动行为进行模拟，得到等离子体的分布规律。壁面腐蚀速率根据壁面材料的溅射产额公式计算得出。本文对SPT-100型霍尔推进器的器壁腐蚀演化进行了模拟，并将模拟结果与实验结果对比，验证了模拟的准确性。在此基础上，还研究了推进器运行参数对推进器壁面腐蚀的影响。本课题的重点研究内容是针对新一代ATON型P70霍尔推进器的缓冲区预电离作用进行研究，得到了不同预电离率的作用下器壁腐蚀演化的规律。研究结果表明，随着预电离率的增大，推进器器壁腐蚀会在一定程度上

6、加剧，因此，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。关键词：霍尔推进器；器壁腐蚀；Fully-KineticPIC-MCC；预电离-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractHallthruster,atypeofelectricpropulsionwithlonglifetime,isanideallowthrustdeviceforlongmissionssuchassatellitestationkeepinganddeepspaceexploration.Becauseofitsgoodoverallperformance,suchashi

7、ghspecificimpulse,highpropulsionefficiencyandlonglifetime,Hallthrusterhasbeenwidelyusedforspaceexploremissionsofvariousspacecraft.Recently,thelifetimechallengeofHallthrusterhasbeenraisedbytherequirementofapplyingthethr