壁面二次電子發(fā)射系數(shù)對(duì)霍爾推力器放電特性的影響研究.pdf

1、霍爾推力器具有高效率、高比沖和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于各種航天飛行任務(wù)。由于霍爾推力器通道內(nèi)部與壁面之間的物理過程十分復(fù)雜，壁面材料對(duì)推力器放電特性的影響機(jī)理還未被清楚揭示，限制了霍爾推力器放電性能的進(jìn)一步優(yōu)化，該問題成為電推進(jìn)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　盡管在霍爾推力器誕生之初研究者就發(fā)現(xiàn)了壁面材料對(duì)推力器放電特性的顯著影響，并且之后的研究者在多種型號(hào)霍爾推力器上做了大量的換壁面材料實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，但是壁面材料對(duì)霍爾推力器

2、放電特性的影響機(jī)理仍沒有被清楚揭示，甚至出現(xiàn)了互為矛盾的結(jié)論。基于這種現(xiàn)狀，本文就壁面材料性質(zhì)對(duì)放電的影響機(jī)理展開了深入的研究。
　　本文首先從微觀出發(fā)，采用理論和數(shù)值方法系統(tǒng)研究了與壁面效應(yīng)息息相關(guān)的等離子體與壁面相互作用現(xiàn)象。采用理論建模的方法，研究了電子溫度各向異性和多價(jià)態(tài)混合氙離子對(duì)氮化硼（BN）絕緣壁面鞘層特性的影響，得到了經(jīng)典鞘層和空間電荷飽和鞘層機(jī)制下，鞘層參數(shù)在垂直于壁面方向上的空間分布和近壁電子流的變化特點(diǎn)；并利

3、用能夠反映鞘層振蕩特性的二維粒子模擬方法分別研究了電子溫度各向異性和非麥?zhǔn)想娮臃植己瘮?shù)對(duì)等離子體與壁面相互作用的影響。
　　進(jìn)而本文研究了壁面二次電子發(fā)射對(duì)鞘層穩(wěn)定性的影響。通過基于正負(fù)反饋原理的流體分析，得到了麥?zhǔn)虾头躯準(zhǔn)想娮臃植枷虑蕦臃€(wěn)定性的判定準(zhǔn)則。通過基于WKB近似下鞘層穩(wěn)定性的動(dòng)理論分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)典鞘層機(jī)制下鞘層阻尼在指向壁面方向單調(diào)增加，壁面二次電子發(fā)射降低了鞘層阻尼，解釋了壁面高二次電子發(fā)射系數(shù)條件下鞘層失穩(wěn)及二維鞘層

4、的空間振蕩現(xiàn)象。另外，鞘層阻尼的數(shù)值結(jié)果與理論分析定性吻合。
　　本文采用二維粒子模擬方法，通過嵌入寬范圍的壁面二次電子發(fā)射系數(shù)特性，研究了壁面二次電子發(fā)射對(duì)推力器放電特性的影響機(jī)理。得到了壁面二次電子發(fā)射對(duì)推力器效率、電子近壁傳導(dǎo)電流、工質(zhì)電離和加速特性的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)隨著材料二次電子發(fā)射的增強(qiáng)，由于電子傳導(dǎo)電流逐漸增大，且電離區(qū)位置逐漸從近陽極區(qū)向通道出口移動(dòng)，加速區(qū)逐漸縮短，離子徑向流逐漸減小，因而推力器效率先增加后降低；壁

5、面發(fā)射的低能二次電子對(duì)通道電子的冷卻效果增強(qiáng)，造成電子溫度單調(diào)降低；由于工質(zhì)電離率與電子密度和溫度的乘積有關(guān)，且電子密度先降低后增加，因而工質(zhì)電離速率先降低后增加，電離展寬先增加后減小。
　　基于壁面二次電子發(fā)射對(duì)推力器放電特性的影響機(jī)理，提出了幾種壁面優(yōu)化布置方法并做了數(shù)值檢驗(yàn)。首先，發(fā)現(xiàn)出口區(qū)布置的低發(fā)射電極并不能提高 P70型霍爾推力器的放電性能，原因在于出口區(qū)傳導(dǎo)壁面附近形成的分層電勢形貌加劇了離子徑向流動(dòng)，使得羽流發(fā)散增

6、大；其次，通過在加速區(qū)布置低二次電子發(fā)射的絕緣材料，實(shí)現(xiàn)了加速區(qū)縮短，離子徑向流降低；最后，理論分析發(fā)現(xiàn)環(huán)形通道的磁鏡效應(yīng)會(huì)增大內(nèi)外壁面出射電子通量軸向分布形貌的差異，進(jìn)而加劇了加速場徑向分布的不對(duì)稱性。基于此，提出內(nèi)外壁面采用不同材料來消弱環(huán)形通道效應(yīng)，并通過了初步的數(shù)值驗(yàn)證。
　　最后，探討高電壓霍爾推力器對(duì)壁面材料特性的要求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了高電壓條件下推力器性能降低的原因及近壁物理過程的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，研究了通過改變