变推力变比冲霍尔电推进关键基础问题研究

Hall thrusters used in space have expanded its function from auxiliary propulsion to primary propulsion. Such an expansion is not only a revolutionary advance for the space engine, but also a turning point for the development of electric propulsion. Space missions planned for future require the engine with a more even diverse function, a continuous and variable thrust and specific impulse is thus the inevitable trend on developing the Hall thruster technique..Beginning with the basic science involved in the design of a Hall thruster with variable thrust and specific impulse, this project would study the coupling effect among magnetic field, heat, surface morphology and plasma space organization for a Hall thruster operating in a wide parameter range. The corresponding mechanisms and characteristics of propellant ionization, ion acceleration, plasma-wall heat transfer as well as discharge mode transition would be systematically investigated. The control measures to ensure the Hall thruster a global high efficiency and robust stability would be consequently pursued. Finally, a validated method for designing a Hall thruster with variable thrust and specific impulse would be refined. Through the research on this project, one is expected to break through the limitation of present Hall thruster design and provide a new perspective and guiding principle to design and optimize a Hall thruster with variable thrust and specific impulse by the combining method of theory and experiment.

霍尔推力器由单一的辅助推进功能扩展到了主推进功能。这种功能的拓展不仅对空间动力而言是革命性的，而且是电推进技术发展的转折点。面向未来空间任务对空间动力提出的多样性需求，变推力变比冲是霍尔电推进技术发展变革的必然趋势。.本项目从变推力变比冲霍尔电推进设计的基础科学问题出发，研究霍尔推力器宽范围变参数运行条件下磁、热、壁面形貌与等离子体空间组织的耦合问题，分析工质电离与离子加速特性、等离子体壁面传热特性、放电模式转变机理及特性，研究全局高效稳定工作的调控手段，提炼变推力变比冲霍尔推力器的有效设计方法。通过该项目的研究，拟突破现有霍尔推力器设计方法的局限，以理论结合实验的手段为变推力变比冲霍尔推力器的设计与性能优化提供新的视角和指导原则。

面向未来空间任务对动力装置提出的多样性需求，宽范围变推力变比冲是霍尔电推进技术发展变革的必然趋势。然而，基于当前设计理念的霍尔推力器只能在一个较窄的工质流量以及放电电压等工况参数范围内高性能稳定放电。当工况参数大范围变化时，特别是在低工质流量端和高放电电压端，电离加速过程缺乏有效组织，等离子体分布缺乏有效调控手段，推力器效率及工作稳定性大幅下降。基于此，本项目研究了霍尔推力器宽范围变参数运行条件下的放电规律、低工质流量下增强电离的方法、高放电电压下降低等离子体与壁面相互作用及提升热稳定性的方法、变参数运行条件下放电稳定性特性及控制方法等，并对提出的方法开展了技术集成和验证的研究。.通过上述研究，本项目获得了霍尔推力器宽参数范围高性能放电准则；搞清楚了磁场与通道壁面形貌的轴向一维匹配对改善宽工质流量范围电离的局限性及机理，提出了有效解决低工质流量高效电离的多点协同气体供给方法；揭示了高放电电压热失稳机制，发明了可极大降低等离子体与壁面相互作用损失进而提高放电电压上限的后加载大曲率磁场与壁面的匹配设计方法；掌握了宽范围参数变化时放电模式的转变特性和机理，给出了稳定放电模式的外控制回路增强设计方法。.将上述流/热/电/磁优化方法集成，完成了1.5kW级霍尔推力器设计。经试验测试，其高效率稳定运行功率范围为550-3600W，工质流量调节范围为20-75sccm，最高放电电压近1000V，推力变化范围为30-120mN，最高比冲可达3200s，放电效率稳定地维持在55%以上。相比于SPT-100等同等功率的成熟技术水平，高性能变推力变比冲输出能力均得到了极大提升。.总的来说，该项目研究突破了现有霍尔推力器的设计约束，建立了比较系统的宽参数范围高性能稳定工作的霍尔推力器设计理论与方法，符合未来空间任务多样性发展的趋势，应用前景广阔，具有重要的理论与实际价值。