小型霍尔推进器羽流等离子体的特性研究

The Hall thruster is a type of electromagnetic plasma accelerator which is widely used in the field of space propulsion of spacecraft. With the development of deep space exploration, small satellite and satellite navigation, research on the small Hall thruster plume has accelerated. This project is mainly aimed at the interaction between the plume plasma and the electromagnetic field in the Hall thruster by establishing a physical model. Through numerical simulations by two-fluid equations and Particle in Cell (PIC) methods, the magnetic field distribution’s effect on the plasma plume dynamics is considered. The plume divergence angle distribution is also varied with the magnetic field. These results are also to be compared with that of the simulation using the COMSOL software. The conditions of forming high speed uniform small divergence angle plume are to be explored. These results provide theoretical support for the corresponding experimental work.

霍尔推进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，磁场分布对等离子体羽流的控制直接影响推进器的性能。随着深空探测、小型卫星和卫星导航等方面的快速发展，对小型霍尔推进器（功率约几百瓦）羽流的研究也逐渐成为热点问题。本项目主要针对小型霍尔推进器羽流中的等离子体与电磁场的相互作用来建立相应的物理模型，采用二流体模型和PIC粒子模型进行数值模拟计算并与COMSOL仿真相结合的方法研究磁场分布对羽流中等离子体动力学性质的影响，研究羽流发散角与磁场分布之间的变化关系，探索高速均匀小发散角的羽流形成条件，为相应的实验工作提供理论支持。

随着社会的不断发展，人们对外太空宇宙的探索不断深入，高性能、长寿命电推进技术也越来也被各国科学家重视。电推进技术就是使用电推进系统为航天飞行器提供推力。霍尔推进器，是当今社会比较主流一种的电推进装置。霍尔推进器拥有比较高的比冲且使用寿命较长等特点，是一种技术比较成熟、应用也非常广泛的电推进装置，已被各国广泛应用于航天领域执行航天飞行器姿态控制和轨道控制等航天任务。为了使霍尔推进器的性能得到进一步的提高，因此需要对霍尔推进器进行详细深入的研究。.本项目主要针对小型霍尔推进器羽流中的等离子体与电磁场的相互作用来建立相应的物理模型，采用二流体模型和PIC-MCC算法进行研究了霍尔推进器阳极的磁屏蔽和励磁电流对磁场分布的影响，并模拟计算了粒子的输运性质及推进器的推力。磁场的分布在很大程度上决定推进器的性能。当推进器的结构或者材料改变时，放电通道轴线上的磁场分布情况会发生改变，内外屏蔽材料的高度变化会改变推进器的磁场分布。将推进器放电通道中的粒子视为流体处理，根据放电通道中准中性等离子体的连续性方程、运动方程和能量方程建立多流体模型，采用四阶龙格库塔法对该模型进行求解，得出了放电通道内粒子的输运特性。.研究了励磁电流对霍尔推进器放电通道及羽流区域磁场的分布的影响。研究表明当内外线圈通入相同的电流时，磁场出现最优分布，此时通道出口的磁场有效宽度较大，通道内磁场强度很小，电子运动的拉莫尔半径较小，以及电子的漂移速度较大。之后，在最优的磁场基础上通过改变阳极和阴极的电压研究了电场对霍尔推进器推力的影响，研究结果和实验测量值吻合。.最后通过COMSOL软件对霍尔推进器的磁场分布进行了仿真，得到霍尔推进器同轴圆电流线圈属性对推进器放电通道中磁场位形分布的影响规律。这为霍尔推进器结构设计和工程技术应用方面提供了一定理论指导，也为后续进一步开展推进器结构和寿命等方面的研究奠定了前期工作基础。