霍尔推力器等离子体束流电磁控制机理研究

Hall thruster, as an electromagnetic plasma accelerator, has found its wide application in the field of space propulsion. The control of plasma beam by the distribution of the electromagnetic field in the discharge channel will impact the performance of the thruster directly. At present, the study of control mechanisms is in urgent need because deep space explorations have brought higher demands on the homogeneity,focussing and stability of the Hall plasma beam.. By building physical models for each interaction process between electromagnetic field and plasma happening in different regions of Hall thruster channel and adopting the Particle in cell (PIC) simulation and experimental method, this project aims to delve into the discharge characteristics of plasma beam in each functional channel area in electromagnetic field,to study the effect of electromagnetic field pattern on electron transport properties and stability of ion acceleration and to understand the structure of each characteristics region as well as the physical influence mechanism of magnetic field distribution on the restraint of ion energy spread and ion beam divergence, exploring an optimization method of electromagnetic characteristics and developing simulation program to provide a theoretical basis and technical support for generating uniform, high-speed, high ionization rate and high-flow gas discharge plasma beam in Hall thruster..It is also expected that the ideas and results of this project would be beneficial references for other plasma source research areas.

霍尔推力器是广泛应用于航天器空间推进领域的电磁式等离子体加速装置，其放电通道内电磁场分布对等离子体束流的控制将直接影响推力器的性能。目前，深空探测等航天任务对霍尔等离子体束流的均匀、聚焦和稳定提出了更高需求，急需探明其控制机理。.本课题针对霍尔推力器通道内各功能区域电磁场与等离子体相互作用过程建立物理模型，拟采用PIC粒子模拟和实验方法研究推力器通道内不同特征区域等离子体束流在电磁场作用下的放电特性；研究电磁场位型对电子传导特性及离子加速稳定性的影响规律；研究各特征区域结构及磁场分布对抑制离子能量展宽和离子束流发散的物理机制。探索电磁场特性的优化方法，研发数值模拟程序，为实现霍尔推力器生成高速均匀、高电离率和高流量气体放电等离子体束流提供理论依据和技术支持。.本课题也期望所研究的思路和结果为等离子体源应用于其它研究领域提供借鉴与参考。

霍尔推力器是一种先进电推进装置, 广泛应用于星际飞行、卫星姿态保持和变轨等航天飞行任务。推力器放电通道等离子体与壁面相互作用强，电磁场分布约束电子轴向传导，优化通道壁面材料及电磁场位形对提高其性能具有重要意义。.项目组针对霍尔推力器全通道等离子体放电物理过程，结合实际推力器尺寸参数，构建数值计算平台，采用粒子模拟方法（Particle-in-cell）建立二维物理模型，研究通道不同特征区域分割不同发射特性壁面材料对推力器放电性能的影响；数值模拟不同放电电压及电磁场分布等离子体束流变化规律；计算讨论零磁场区不同位置等离子体放电特性，得到如下研究结果：.1、研究在推力器通道加速区分别布置具有低发射石墨电极和绝缘材料，结果表明：壁面分割电极使径向电势降增加，离子径向速度及径向流增加，造成羽流发散，电子与壁面碰撞频率及放电电流增加，近壁传导作用增加。绝缘壁面分割长度为3 mm时，通道加速区缩短，轴向电势梯度增加，离子与壁面碰撞频率减小，电离率及比冲增大。在通道电离区分割石墨电极且固定偏压下，加速区缩短, 离子径向速度降低, 电离速率升高，推力器比冲增大。.2、研究不同放电电压对推力器放电特性影响，结果表明： 随着放电电压升高(250 V-650 V)，推力器加速区向阳极方向轴向移动，通道内电子温度升高，在400-450 V时出现电子温度饱和现象。当放电电压升高至700 V时，电势出现明显轴向扩张，电离区位于近阳极区，放电通道内电子温度及放电电流显著增加，推力器比冲减小性能降低。.3、研究不同磁场分布下通道等离子体放电特性，结果表明：保持磁场位形不变，通道中轴线上磁场强度小于200高斯时，电子轴向传导受阻。磁场强度在200-420高斯时，加速区先缩短后延长，电子温度、电离率及电子与壁面碰撞频率降低，出口处离子径向速度增大。磁场强度为280高斯时加速区最短，放电电流最小。当磁场位形变化时，阳极处垂直壁面磁场位形使电子被束缚，放电中断。零磁场区不同位置将改变特征区域长度影响等离子体放电性能。