磁场位形对霍尔推力器内电子运动的影响研究

论文摘要

霍尔推力器作为一种等离子体装置,以其高效率高比冲等特点成为国际电推进领域的研究热点,广泛应用在姿态控制,轨道转移及将来的深空探测任务。电子在通道内被磁场束缚形成周向霍尔漂移运动以及电子在通道内的传导是形成霍尔推力器闭环漂移的关键问题。本文主要围绕磁场位形如何影响通道内电子运动及电子传导开展相关工作。本文首先论述了霍尔推力器Particle-In-Cell数值模拟的一般思路和基本方法。介绍模拟单电子运动规律的Monte Carlo方法,及蒙特卡罗发射原子和电子的基本方法,为以后模拟单电子的运动行为特性奠定基础。随着磁聚焦概念在霍尔推力器设计中的应用,人们在期待更好的聚焦离子从而减小离子径向流的同时,也改变了电子在磁聚焦场中的行为。采用单粒子模拟方法,模拟电子在磁镜场中的运动特性,提出磁镜效应是引起电子近壁传导径向非对称性分布的另一个原因。磁镜效应会进一步通过影响电子的运动特性而改变通道内等离子体电势分布等参数。大磁场梯度是霍尔推力器磁场发展的另外一个重要特点。研究结果表明随着磁场梯度的增加,通道内加速区的长度变短,减小腐蚀带长度和腐蚀强度。然而当磁场的特征尺寸与拉莫尔半径可比时,推力器内稳定霍尔漂移被破坏。从单电子轨道理论分析导向中心的漂移入手,模拟分析了霍尔推力器通道加速区轴向磁场梯度对电子运动的影响。重点论述了通道内磁场梯度对电子的周向漂移速度的影响及电子穿越磁场扩散的作用。最后结合霍尔推力器设计的原理,给出磁化电子稳定霍尔漂移运动被破坏的极限。最后,从磁场位形对电子运动影响的作用角度,详细说明霍尔推力器通道内磁场设计的三个重要参数在推力器进行磁场设计时的作用。初步采用全通道粒子模拟实际磁场位形条件下推力器通道内的等离子体参数分布,定性给出通道内等离子体参数的一般分布,这对提高磁场位形对推力器的整体性能和设计具有指导意义,为后续磁场位形更全面的研究工作奠定基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 电推进全通道粒子模拟研究现状
• 1.2.2 霍尔推力器内电子传导研究现状
• 1.2.3 霍尔推力器内磁场位形研究现状
• 1.3 论文的主要内容及章节安排
• 第2章 数值方法
• 2.1 引言
• 2.2 Particle-In-Cell方法
• 2.2.1 粒子推动方式
• 2.2.2 电荷分配方式
• 2.2.3 电场Poisson求解
• 2.2.4 稳定性条件
• 2.3 粒子间的碰撞
• 2.3.1 蒙特卡罗碰撞方法
• 2.3.2 电子和原子的碰撞
• 2.4 初始粒子发射方式
• 2.4.1 原子发射方式
• 2.4.2 电子发射方式
• 2.5 边界条件
• 2.5.1 阳极边界条件
• 2.5.2 真空边界条件
• 2.5.3 绝缘边界条件
• 2.6 加速PIC仿真的方法及常用无量纲参数
• 2.7 本章小结
• 第3章 磁镜效应对霍尔推力器通道电子运动的影响
• 3.1 霍尔推力器电子传导机理
• 3.1.1 经典传导机理
• 3.1.2 玻姆传导机理
• 3.1.3 近壁传导机理
• 3.2 霍尔推力器通道内的磁镜效应
• 3.3 磁力线等电势理论及仿真参数
• 3.4 仿真结果及分析
• 3.4.1 磁镜效应对电子运动特性的影响
• 3.4.2 理论分析磁镜对电子传导的影响
• 3.4.3 鞘层对电子传导仿真结果的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 磁场梯度对霍尔推力器通道电子运动的影响
• 4.1 引言
• 4.2 单电子轨道理论
• 4.2.1 导向中心的漂移
• 4.2.2 单电子运动仿真模型
• 4.3 磁场梯度对周向漂移速度的影响
• 4.3.1 理论推导梯度漂移和电漂移关系
• 4.3.2 理论估算电子周向漂移速度
• 4.3.3 磁场梯度对漂移速度的影响
• 4.4 磁场梯度对电子扩散率的影响
• 4.4.1 理论推导穿过磁场的扩散
• 4.4.2 磁场梯度对电子迁移率的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 霍尔推力器磁场设计的若干问题
• 5.1 引言
• 5.2 霍尔推力器磁场设计准则的讨论
• 5.2.1 磁场强度
• 5.2.2 磁场梯度
• 5.2.3 磁聚焦位形
• 5.3 真实磁场位形下霍尔推力器电离加速区等离子体分布
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢