大高径比霍尔推力器壁面效应诱导的径向电场研究

In order to meet the demand of geostationary orbit satellite to complete long-distance orbit promotion and orbit transfer and act as the main propulsion device of deep space exploration and interstellar travel explorer in the future, the research and production of large-power thruster has become the major development trend of the electric propulsion system. However, the design method of large-power thruster of the thruster family and similar theory has caused great increase in cost. Therefore, the design of large-power thruster with the method of large width and diameter will become the inevitable trend in future development. However, due to the decreased area of the inner wall in thruster with large ratio of width to diameter, it leads to sharp decline of near wall conduction current and the increase of non-uniformity of electronic radial parameters in the channel. The increase of non-uniformity of electronic radial parameters will necessarily lead to the increase of radial potential gradient in the channel, and have impact on the axial acceleration performance of ion accordingly. The different arrangement method of materials at inner and outer wall (The secondary electron emission coefficient of the material at inner wall is bigger than that at outer wall), so that the inner wall is transitioned to the space oscillating sheath ahead of time to make use of the non-collision conduction effect of the space oscillating sheath on slow electron, which can not only greatly increase conduction current in the passage, but also impair the radial gradient of the potential, and have focusing ion flow accordingly.

为了满足未来地球同步轨道卫星完成远距离轨道提升、轨道转移以及作为深空探测和星际航行探测器的主推进装置等方面的需要，研制大功率推力器成为电推进系统的主要发展趋势。而目前推力器族和相似理论的设计大功率推力器的方法，带来推力成本的骤增，因而采用大高径方法设计大功率推力器成为未来发展的必然趋势。但是大高径比推力器由于内壁面表面积的缩小，造成通道中近壁传导电流的急剧下降和电子径向参数不均匀性的增加。电子径向参数不均匀性的增加势必造成通道中电势径向梯度的加大，进而影响离子的轴向加速性能。而采用内外壁面材料的不一致的布置方法（内壁面材料二次电子发射系数大于外壁面），使内壁面提前过渡到空间振荡鞘层，利用空间振荡鞘层对慢电子的非碰撞传导效应，不仅可以大大增加通道中的传导电流，而且振荡鞘层可以消弱推力器电势的径向梯度，从而得到聚焦型的离子束流。

为了满足未来深空探测和星际航行探测器的主推进装置方面的需要，研制大功率推力器成为电推进系统的发展的必然趋势。但是大高径比推力器由于内壁面表面积的缩小，造成通道中近壁传导电流的急剧下降和电子径向参数不均匀性的增加。本项目研究内容如下：内外壁面材料不一致大高径比霍尔推力器电子近壁传导特性的研究，内外壁面材料不一致大高径比霍尔推力器径向电场机制的研究，大高径比霍尔推力器分段材料特性对缩短电离区和加速区的影响研究，大高径比霍尔推力器性能的实验研究。通道中随着电子温度的升高，鞘层存在着由时间振荡鞘层向空间振荡鞘层的转化。如果电子温度继续升高，二次电子发生系数远大于1的时候，空间振荡鞘层将过渡为空间电荷饱和鞘层。空间电荷饱和鞘层的存在，将使推力器性能急剧的下降，因而大高径比霍尔推力器设计的时候，使其推力器工作时候，内外壁面大部分区域工作在空间振荡鞘层的范围内。针对大高径比内外壁面材料不一致对推力器性能的影响进行了研究，研究表明：内外壁面二次电子发射系数不一致会导致通道内等离子体参数分布的转移，内外壁面不一致有助于缩短电离区和加速区；但是内外壁面材料不一致对径向电场的影响并不大，对径向方向的电场大小影响最大的最终仍然是磁场位形。将加速区附近壁面材料更换为二次电子发射系数较大的材料，有助于缩短电离区和加速区，同时降低通道内温度的峰值。但是磁场对电离区和加速区影响更为明显，通过合理的设计磁场位形，完全能够取代分割壁面材料带来的电离区和加速区缩短效应。随着高径比在一定范围的不断增大，电离区长度变短，电离区位置向阳极移动；随着高径比的增大，工质利用率先增大后减小，由此说明通道变窄使电离区的原子数密度增加的方法对于推力器并不会使其电离特性变好。虽然增加高径比使通道变宽可以使推力器的电离特性变好，但是高径比不能无限制的增大，存在一个最优高径比使推力器的电离特性最好。