脉冲高压霍尔等离子体推进器的研究

霍尔电流等离子体推进器由于具有高效率、高比冲和长寿命等优点，在欧美等发达国家已经广泛用于为人造卫星的位置保持和变轨等提供动力。本项目主要研究基于阳极层放电和加速的脉冲高压霍尔等离子体推进器，其等离子体放电和加速均发生在阳极前端的阳极层内，它避免了延长加速区刻蚀所导致的推进器寿命降低。中频脉冲放电可有效提高等离子体放电电压，使放电电压提高到500-1000V。且脉冲放电可以主动抑制弧光放电对磁极的刻蚀。高放电电压产生的高能量束流可有效减少推进器羽流发散角，提高推进器推力。本项目主要通过数值模拟和实验相结合的方法研究脉冲高压霍尔等离子体推进器。建立脉冲高压等离子体放电的物理和数值模型，对脉冲放电和高压加速区等离子体产生和输运进行模拟，掌握脉冲高压等离子体放电特性和加速机理，建立一台2kW脉冲高压等离子体推进器，实验研究适合于脉冲高压等离子体放电的磁镜场结构、强度和位型。

对放大尺寸(出口直径150 mm)的圆柱形阳极层霍尔等离子体加速器进行了实验和数值研究。实验发现此霍尔等离子体加速器工作稳定，可以在较高的功率上运行(大于3KW)，电流利用率较高，可超出90%，工作电压范围很宽，可在300-2000v间工作。束流汇聚性良好。在较低气压(0.03Pa)下，可得到半高宽40 mm左右的离子束流。通过对圆柱形阳极霍尔等离子体加速器进行三维Particle in Cell数值模拟，发现在阳极附近，由磁场决定的离子发射面导致了聚中束流的产生，同时模拟发现只有很少的离子与壁碰撞，从而产生较高的引出效率。在更高的气压下模拟，发现了电子密度、轴向电场和离子束输出的呼吸式振荡，不同于传统的因为中性气体消耗和补充出发的呼吸效应，模拟得到的等离子体呼吸振荡完全由聚中束流引发的较高的空间电势触发。靠近阳极处的轴向电场被聚中束产生的空间电势所压制，产生大幅度的降低，从而引发电子密度减少47%。较高气压下聚中的离子束会最终爆裂，随后放电恢复到常态并引发下一个循环，模拟得到的纯电势驱动的呼吸效应的频率为~167 kHz – ~250 kHz，并且随着放电电压的升高而降低。