近壁电导基础讲座课件.ppt

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1、近壁电导的基础理论报告人：张凤奎主要内容前言近壁电导的研究意义电子传导机理近壁电导主要影响因素近壁传导的实验研究近壁电导的数值模拟结果近壁传导机制研究在推力器设计中的应用展望1.前言霍尔推力器从其工作原理上来讲是一种存在近似正交电磁场位形的等离子体放电装置，电导电流的大小是该类型装置的一个重要性能指标。霍尔推力器主要有以下几个主要研究方面的容：霍尔推力器通道内等离子体与壁面的相互作用过程。霍尔推力器通道壁面材料的选型和优化。磁场位形的设计及其对霍尔推力器等离子体的影响。2.近壁电导的研究意义1.从功能转换的角度来看，霍尔推力器是一种将电源的

2、电能转换为推进工质动能的能量转换装置，在转换过程中，电导电流会带来能量的损失，需要尽量减小电导电流才能提高推力器的能量转化效率，但同时电导电流的存在是维持推力器正常工作的必要条件，太小的电导电流会导致推力器工作异常直至熄火，因此从能量转化的角度而言，合理控制电导电流的大小是提高霍尔推力器效率的一个基本设计问题。2.霍尔推力器加速喷出的工质，利用其动能来产生有效推力的，加速的效果会直接影响推力器的重要性能指标——比冲和推力，而推力器通道内控制离子加速的电场分布是由其内部电导机制直接决定的，所以从推力器本身来讲，合理控制电导分布是提高霍尔推力器

3、比冲和推力的一个基本设计问题。因此，推力器通道内的电导机制是影响推力器工作性能的基本设计问题。霍尔推力器的发明人A.I.Morozov教授曾说，霍尔推力器的成功主要是建立在正确电导机制的认识基础之上的。3.电子传导机理在推力器通道内存在的正交电磁场位形下，电子被约束在某一有限区域内做圆周方向的稳定霍尔漂移运动，并不产生轴向位移，因此不会有宏观传导电流产生；只有当其他因素破坏了电子这种稳定霍尔漂移运动以后，电子才会在轴向电场作用下沿通道轴向进行迁移，表现出宏观的传导电流，其大小与通道内约束电子运动的磁场强度相关，根据各种破坏漂移运动因素的不同

4、，在稳态等离子通道内共发现存在三种传导机制。经典传导，玻姆传导，近壁传导。1.电子经典传导：在研究磁化等离子体中电子横越磁场的运动机制时，最早发现的是电子与重粒子碰撞（一般以与中性原子碰撞为主）的因素。当电子与原子发生碰撞的时候，电子由于随机游动过程而实现横越磁场的运动。随机游动的步长是拉莫尔半径的大小。经典传导的公式表达：（1）当时，上面公式可以写成：（2）电子与重粒子碰撞引起的电子轴向传导电流与电子密度成正比，与磁场强度的平方成反比，利用公式（2）求得的传导电流小于推力器正常工作状态的传导电流值，因此推力器中还有其他破坏电子霍尔漂移运动

5、，促使其发生横越磁场运动的电导机制存在：一个是玻姆传导，一个是近壁传导。玻姆传导最早是由玻姆在实验室中发现的他发现在实际电离度很高的等离子体放电装置中，轴向传导电流常常会比（2）式预言的要大，而且其定量关系是轴向传导电流与直接成反比。由于高电离度的等离子体中存在振荡的缘故引起的，在完全电离的等离子体中的不稳定波会引起电场同步振荡从而电子横越磁场的扩散加剧，最终表现为轴向传导电流增加，这种由等离子体振荡引起的传导被称为玻姆传导机制。2.玻姆传导：玻姆传导的公式描述：在玻姆传导理论下，霍尔参数被认为是常数，因此有：（3）很多学者也倾向于用玻姆传

6、导来解释推力器中存在的这种附加传导电流。A.I.Morozov教授则认为霍尔推力器沿通道的正梯度磁场位形可以有效抑制引起玻姆传导的等离子体振荡，推力器通道中的传导电流与磁场强度的关系仍然符合公式（2）的描述，而非公式（3）。提出了在推力器通道中存在着另外一种新的传导机制——电子近壁传导机制。3.电子近壁传导：近壁传导机制认为霍尔推力器通道内的电子在霍尔漂移的过程中，不仅会与重粒子发生碰撞，而且在更大概率意义下会与通道壁面发生碰撞，产生轴向传导。电子霍尔漂移运动示意图电子沿周向做霍尔漂移运动的同时也会在热运动作用下沿径向运动，当电子沿径向运动

7、与通道壁面发生碰撞后，电子的稳定霍尔漂移运动被破坏，即电子周向漂移速度不再满足（5）式，为了重新建立稳定的霍尔漂移运动，电子会在轴向电场的作用下沿轴向运动，从而与通道轴向电场交换能量，使得周向漂移速度满足当地正交电磁场位形下霍尔漂移速度的需求，即电子周向漂移速度重新满足（5）式，电子重新建立起稳定霍尔漂移运动。电子近壁传导的示意图电子近壁传导的公式描述：从上图中可以看出电子与壁面发生碰撞产生传导的过程，而且近壁传导引起的轴向传导电流与磁场强度的定量关系和经典传导相似，可写作（6）式的形式：（6）从以上分析可知，在存在正交电磁场位形的等离子放

8、电装置中，电子与壁面发生碰撞从而破坏电子稳定霍尔漂移运动是产生电子近壁传导的一个关键因素，因此放电装置的壁面条件对于近壁传导机制的的影响很大。霍尔推力器这种面容比很大的等离子体放