霍尔推进器通道内等离子体鞘层特性的研究

霍尔推进器以其高比冲、高效率等优点成为未来空间飞行器的首选推进装置之一。其放电通道壁面等离子体鞘层特性对推进器的性能具有重要影响。目前针对霍尔推进器壁面鞘层特性的研究仍存在一些难点问题亟待解决，如高能量电子与器壁作用产生的二次电子将影响鞘层的稳定性，进而影响推进器的稳定性；电子与器壁作用将改变电子的近壁传导特性，使加速电场的空间分布发生变化，进而影响推进器的效率。.本项目针对霍尔推进器通道内等离子体与器壁相互作用的物理过程建立新的物理模型，拟采用动力学模拟、粒子模拟方法，并结合实验深入研究推进器通道内不同特征区域等离子体的二维鞘层结构与特性、不同器壁材料二次电子发射对鞘层结构以及鞘层对电子近壁传导的影响，进一步优化推进器的运行参数，从而提高发动机的稳定性和推进效率，为我国自主研制高性能霍尔推进器提供理论指导。

霍尔推进器是一种先进的电推进装置, 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。由于推进器通道表面积远大于截面积，等离子体与通道壁面强相互作用形成鞘层，鞘层特性对推进器性能和效率具有重要影响。.本项目针对霍尔推进器通道内等离子体与器壁相互作用的物理过程建立模型，结合实验采用流体模拟、动力学模拟和粒子模拟方法研究了推进器通道内不同特征区域等离子体的放电特性及二维鞘层结构；研究了不同磁场、工质及器壁材料二次电子发射对鞘层结构和电子近壁传导的影响，得到一些重要研究结果：.1、流体模拟研究表明，推进器中多价态氙等离子体鞘层电势降比纯一价氙略低，临界二次电子发射系数减小；推进器中的电子温度各向异性现象可显著加大出射电子能量系数，降低鞘层电势降，增强电子与壁面相互作用；运用Sagdeev势的方法计算了推进器磁化二次电子鞘层的玻姆判据，发现随器壁二次电子发射系数的增大，鞘层粒子密度增加而厚度减小；鞘层电势及粒子密度随磁场大小和方向的增加而增加。二次电子发射对于弱磁等离子体鞘层中的离子密度影响较大,磁场可以促进器壁电子发射并导致沉积到器壁的离子动能流发生变化；随着二次电子发射系数的变化壁面呈现出三种鞘层结构，近壁区鞘层厚度逐渐增加。.2、动力学模拟研究表明，在霍尔推力器放电通道中，电子的非麦氏和麦氏分布函数下等离子体与壁面相互作用存在很大差异，麦氏分布的二次电子流和鞘层边界上净能量通量是非麦氏分布的1-3倍，鞘层边界上损失能量百分比是非麦氏分布的1-2倍。可见，非麦氏电子分布时入射电子在壁面上的能量沉积及二次电子对主流区电子的冷却作用都明显弱于电子麦氏分布的情形。.3、粒子模拟研究表明，在经典鞘层中鞘层的阻尼振荡向壁面方向单调增加，而随二次电子发射效应的增大而减小；磁场梯度的位置可显著改变推进器效率，这与实验研究中随磁场梯度增加，离子束能量分布趋于集中，提高推进器效率一致。通过增加缓冲区的附加电压，可有效提高缓冲区预电离率；当电子温度大于24eV时，电子温度的各向异性减弱了鞘层对通道电子的冷却效应。采用改进的Morozov二次电子发射模型发现鞘层近壁传导电流远大于经典鞘层电流，推进器绝缘壁面上空间电荷饱和鞘层震荡使近壁传导电流流量增大，影响推进器效率。.以上研究结果为提高霍尔推进器的稳定性和推进效率，为我国自主研制高性能霍尔推进器的工程化进程提供一定的理论参考。