霍尔推力器的一种新设计自由度- - 变截面放电通道研究

霍尔推力器是一种已广泛用于各种太空飞行任务的电磁等离子体推进装置。中性气体工质电离、电子传导和离子加速三大过程决定着推力器的性能。目前只有磁场设计这一种手段控制着电子传导和离子加速，尚缺乏有效的中性气体电离控制，这是导致霍尔推力器在低推力和高比冲研制过程中出现性能大幅下降的关键。.本课题拟通过引入一种控制中性气体流动的新手段- - 通道变截面设计，来实现电离过程的优化控制。采用理论分析与实验研究相结合的方法，深入研究截面变化对工质电离率和电离分布的影响机理，分析对电子传导和离子加速特性的作用机制，掌握利用变截面结合磁场控制工质电离，提高等离子体射流特性的方法，为霍尔推力器性能优化引入一个新的设计自由度。为解决霍尔推力器在发展过程中所出现技术矛盾提供理论指导。

为解决霍尔推力器在向低功率和高比冲方向发展时出现的电离离区扩展、束流特性变差问题，本项目提出了一种利用通道变截面设计，来控制中性气体流动，并通过分析对电子传导和离子加速特性的作用机制，掌握利用变截面结合磁场控制工质电离，实现其优化控制的方法。. 研究过程中本课题分别针对通道内工质电离区和离子加速区，采用通道截面缩变和扩变两类方法，进行提高工质电离率、改善等离子体束聚焦特性的研究。理论和实验研究表明，利用缩变通道电离区位置流通截面积的方法，可以有效地提高该区域的中性气体密度和等离子体密度，从而实现增加工质电离率的目的；利用扩变（渐扩型）通道加速区位置（出口处）流通截面的方法，可以有效地控制电子通过壁面形成的近壁传导效应，该方法不但减少了离子壁面损失，更重要的是压制了热化电势效应，使加速区内的等势线更贴近磁力线，实现了等离子体束聚焦。最后，综合上述可控制工质电离和等离子体加速的两个方法，形成了能与传统磁场位形进行较好匹配的变截面氪工质霍尔推力器，其实测的主要性能特征为工质利用率提高10%，羽流发散半角降低至21°。理论和实验证实了霍尔推力器在全寿命期内的束聚焦的自稳定性，为后续聚焦型霍尔推力器的真正航天应用提供了理论支撑和技术保障。