多级会切磁场等离子体推力器的电离和加速机制研究

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1、博士学位论文多级会切磁场等离子体推力器的电离和加速机制研ＸＳＴＵＤＹＯＮＴＨＥＩＯＮＩＺＡＴＩＯＮＡＮＤＡＣＣＥＬＥＲＡＴＩＯＮＭＥＣＨＡＮＩＳＭＳＯＦＴＨＥＭＵＬＴＩ－ＣＵＳＰＥＤＦＩＥＬＤＴＨＲＵＳＴＥＲ胡鹏哈尔滨工业大学２０１７年１１月＋１１国内图书分类号：Ｖ４３９．２学校代码：０２３国际图书分类号：６２１．４５５密级：公开工学博士学位论文多级会切磁场等离子体推力器的电离和加速机制研究博士研究生：胡鹏导师：于达仁教授申请学位：工学博士学科：动力机械及工程所在单位：能源科学与

2、工程学院答辩日期：２０１７年１１月授予学位单位：哈尔滨工业大学ＣｌａｓｓｉｆｉｅｄＩｎｄｅｘ：Ｖ４３９＋．２Ｕ．Ｄ．Ｃ２１．４５５：６ＤｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅＤｏｃｔｏｒａｌＤｅｒｅｅｉｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎｇｇｇＳＴＵＤＹＯＮＴＨＥＩＯＮＩＺＡＴＩＯＮＡＮＤＡＣＣＥＬＥＲＡＴＩＯＮＭＥＣＨＡＮＩＳＭＳＯＦＴＨＥＭＵＬＴＩ－ＣＵＳＰＥＤＦＩＥＬＤＴＨＲＵＳＴＥＲＣａｎｄｉｄａｔｅ：ＰｅｎＨＵｇＳｕｅｒｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．ＤａｒｅｎＹＵｐＡｃａｄｅｍｉｃＤｅｇｒｅｅＡｐｐｌ

3、ｉｅｄｆｏｒ：ＤｏｃｔｏｒｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｏｗｅｒＭａｃｈｉｎｅｒａｎｄＥｎｉｎｅｅｒｉｎＳｅｃｉａｌｉｔｙ：ｙｇｇｐＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒＳｃｉｅｎｃｅＡｆｆｉｌｉａｔｉｏｎ：ｇｙｏｖｅｍｂｅｒ２０１７ＤａｔｅｏｆＤｅｆｅｎｃｅ：Ｎ，Ｄｅｒｅｅ－Ｃｏｎｆｅｒｒ－ｇｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ：ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ摘要摘要多级会切磁场等离子体推力器是目前国际涌现出的一类新型电推进概念。采用多级永磁体形成的独特会切磁场位型能够有效地约束等离子体，降低等离子体

4、在壁面的损耗。因而它具有寿命长、结构简单、质量小、推力连续调节范围大等特点。目前，由于人们对该推力器微观机制的认识存在不足，小型化多级会切磁场等离子体推力器存在电离率不足、羽流发散角严重、推力器效率偏低、多模式变化等诸多问题。本文分别对该推力器出口羽流区的加速过程和电离过程展开研究，并探讨其在不同放电模式下加速和电离机制。在此基础上，以空心羽流结构以及电离的竞争关系的研究对推力器放电模式的转变过程及机理进行了研究。开展了推力大范围连续可调的实验样机的设计和性能验证工作。主要的研究内容主要包括以下几个方面：首先，从羽流区离子能量空间分布的测量入

5、手来探究不同放电模式下离子能量分布特性。羽流区离子能量分布特性的研究揭示了推力器的出口强加速电场的存在一，并且在ＨＣ模式下电场较ＬＣ模式具有更大的径向分量。为了进步探究加速电场形成的微观机理，从多种电子传导过程的研究中得出决定强加速电场形成的主导传导方式。在此基础上，开展了推力器的ＰＩＣ数值模拟工作。结果表明，出口的强磁镜场作用必然会使推力器在出口羽流区形成两类电子传导路径。这两类电子传导路径分别对应于两种类型的加速电场。与外侧路径强磁场相关的强电场和与内侧路径弱磁场相关的弱电场，这种相关性决定了两种模式下电场分布的差异。在高放电电压的ＬＣ模式

6、下，电子主要沿外侧路径传导并形成强的轴向加速电场，致使离子能量的分布更为集中。在低放电电压的ＨＣ模式下，内侧电子电流的增大使推力器形成以发散式电场为主的弱加速电场，致使离子的能量分布更为发散。电场在ＨＣ模式下更大的径向分量使其离子能量表现出了较ＬＣ模式下更好的空间连续性。在加速机制研究的基础上，开展了羽流区磁分界面角度优化的实验研究，结果证实了推力器中电子传导路径与不同放电模式加速电场之间的内在联系。在ＬＣ模式下，采用磁屏蔽控制推力器出口磁分界面角的方法大幅降低推力器的羽流发散角，这对于其性能的优化具有重要意义。其次，根据离子能量空间分布的不连

7、续性对羽流区的离子进行分区研究。通过对各分区内离子能量分布随放电电压变化特性的研究明确了羽流区各特征区域内离子电流与推力器各电离区之间的相互对应关系ＩＩ。通道内电离区对应于区的离子电流，通道出口电离区对应于ＩＩＩ区以及Ｉ区的高能离子成分，羽流电离区对应于Ｉ区的低能离子成分。这些对应关系表明，在不同模式下推力器的主导电离区－Ｉ－摘要存在显著差异：ＬＣ模式以通道内电离区为主电离区，ＨＣ模式以出口电离区为主电离区。电离区分布的差异使得ＬＣ模式表现出更高的性能。而在ＬＣ模式下，通