霍尔推力器高电压下放电模式转变机理研究

霍尔推力器具有高效率、高比冲的特点，能够提高飞行器的有效载荷率，降低发射成本。.提高放电电压是提高霍尔推力器比冲的有效方法。然而，放电电压超过一临界值后，放电特性发生转变，如：电子电流剧增、电子温度饱和以及放电效率降低等；放电特性转变成为制约高比冲霍尔推力器发展的关键问题之一。目前研究仅限于单一现象分析，得出的结论还存在争议，尚未形成对高电压下放电机理的统一认识。.由于决定电子电流的电子传导过程与决定电子温度的电子能量输运过程强烈耦合在一起，本项目从系统的角度提出了要从高电压下霍尔推力器放电模式发生了转变的视角来研究这些特殊放电现象，从交互耦合的视角研究电子传导机制和能量输运机制在不同电压下的变化规律，给出高电压下电子电流剧增及电子温度饱和的机理，并提出相应的措施提高霍尔推力器在高电压下的效率，为高比冲霍尔推力器设计提供理论参考。

针对霍尔推力器在高电压下运行存在的电子温度饱和、电子电流激增的现象，在基金资助下进行了理论研究，取得以下成果：. 1、电子温度饱和机制研究. 对（B=const）变电压下霍尔推力器出现的临界区间内电子温度饱和现象进行了分析。明确了焦耳加热对电子温度的主导地位和电子-壁面碰撞对电子温度的调节作用，尽管在放电电压提高的过程中电子从电场中获得较多的能量，但随着能量的增加，电子与壁面的碰撞加剧，导致了能量损失加剧，其获得的能量基本上通过电子与壁面的碰撞损失掉，与实验观察到的磁场不变时电子温度饱和现象一致；. 2、高电压下电子电流剧增机理研究. 对高电压下电子电流剧增（B~Ud0.5）进行了机理分析，随着放电电压的增加，电子温度在一定范围内程增长趋势，随着电子温度的升高，鞘层从经典鞘层转变为振荡鞘层，研究结果表明，电子电流在空间震荡鞘层下，电子电流能够明显增大，其主要原因振荡鞘层会使得参与近壁传导的电子数量增多，因而导致了高电压下（高电子温度条件下）电子传导电流的增加。. 3、霍尔推力器高电压放电优化研究. 基于上述理论研究，提出了两种优化方法，其一是优化磁场，进行了磁场强度和位形配合调节的变电压实验并完成了高电压工况下的优化，实验结果表明，通过磁场强度和位形的综合调节，能够减小变电压范围内推力器性能的变化范围；同时，在高电压下推力器性能的下降趋势难以避免，但是可以通过磁场位形的调节使之得到显著改善。其二是壁面材料优化，利用PIC模拟证明了使用高二次电子发射的壁面材料能够有效冷却电子温度，从而在不提高磁场强度的前提下保证推力器高电压下的正常运行；分割一定长度的通道出口附近壁面也可以达到类似的效果。