霍尔推力器中放电等离子体周向行为及耦合效应研究

The Hall thruster is an advanced electric propulsion device. Plasma discharge presents arresting azimuthal behaviors in a Hall thruster, which definitely affects the discharge efficiency, stability and thrust characteristics. However, because of the axial symmetry discharge channel structure, azimuthal characteristics of plasma are hard to be investigated experimental. Relevant studies are far more enough to understand this physical process..In this proposal, we present to study the azimuthal behaviors and multi-particle coupling effects of discharge plasma in Hall thrusters. By analyzing the interaction of atoms, electrons, ions and magnetic field, the coupling effects of multi-particle flow field and magnetic field distribution are researched. These coupling effects ultimately cause macroscopic properties change of the discharge. Furthermore, influences of flow field design on the plasma parameter distribution are analyzed numerically, and the control and optimization methods of the azimuthal process are proposed. Based on the research results, quantitative analysis of ions azimuthal acceleration process can be achieved and actively applied.

霍尔推力器是一种先进的电推进装置，其放电过程中等离子体具有显著的周向行为特性，这种特性对推力器的工作效率、稳定性和推力特性均产生影响。由于霍尔推力器的轴对称结构，导致其中等离子体周向行为特性隐蔽不易被直接观测，相关物理过程研究严重不足。.本项目提出对霍尔推力器中等离子体周向行为以及多粒子周向流场耦合效应进行研究。通过分析原子、电子、离子和磁场的相互影响规律，研究推力器内部多粒子流场和磁场分布相互耦合，并最终导致推力器宏观放电特性发生变化的特殊行为。分析流场设计对等离子体参数分布的影响，据此提出优化、控制周向过程所需的物理条件。针对耦合效应产生的离子周向加速机制进行定量分析，并实现主动控制和利用。

霍尔推力器放电过程中，等离子体具有显著的周向行为特性，这种特性对推力器的工作效率、稳定性和推力特性均产生影响。本项目对霍尔推力器中等离子体周向行为以及多粒子周向流场耦合效应进行研究，通过建立周向过程的理论及仿真模型，分析原子、电子、离子和磁场的相互影响规律和流场设计对等离子体参数分布的影响。研究表明推力器内部多粒子流场和磁场分布相互耦合，并最终导致推力器宏观放电特性发生变化的特殊行为，千瓦级霍尔推力器工作时会产生量级为1E-4Nm的扭矩。通过实验得到了放电参数对扭矩大小及方向的影响关系及通过流场和磁场设计主动控制周向过程的方法。最后，针对典型的全电推进飞行任务，提出霍尔推进系统扭矩主动控制的设计方案。