Hall推进器寿命预测和壁面侵蚀加速实验研究

论文摘要

Hall推进器具有高效率、高比冲以及高可靠性等优点,自从1970年成功研制以来,已经广泛用于各种实际飞行任务中,成为世界各航天大国电推进装置研究中的热点。但是,随着航天技术的不断发展,对Hall推进器的使用寿命提出了更高的要求。具有环形的放电通道是Hall推进器的基本特征,电子在环形通道内形成闭环漂移,离子在通道内轴向电场的作用下加速以产生推力。由于通道内离子束的发散导致部分离子轰击到器壁表面,造成了环形通道器壁的溅射侵蚀。在限制推进器寿命的因素中,通道器壁溅射侵蚀最为严重。成为限制推进器寿命的首要因素。目前在预测Hall推进器寿命时一般将通道壁面被侵蚀完毕,磁极暴露在等离子体流的时刻作为寿命终止时刻。目前对Hall推进器寿命的研究包括全寿命实验和数值模拟。由于全寿命实验耗时长、耗费大,因此国外各个科研机构在积极开展基于数值模拟方法预测Hall推进器寿命的研究。包括以美国为首的HPHall计算壁面形貌演化和俄罗斯的一些半经验方法预测Hall推进器寿命。国内对此的研究刚刚起步,因此本文中首先根据通道内的物理过程和壁面材料的溅射侵蚀机制建立了通道器壁侵蚀模型,包括轰击壁面的离子流模型和壁面侵蚀模型,并采用能够准确预测通道外角演化过程的Huygens子波方法对通道器壁的侵蚀形貌进行预测。本文对SPT-100型Hall推进器的通道壁面形貌演化过程进行了模拟,并与实验结果进行了对比。在此基础上,修改程序,实现了根据推进器的主要参数对推进器寿命进行预测。为将来精确预测推进器寿命指明了方向。通过研究影响推进器壁面侵蚀速率的影响因素发现,离子入射角度对壁面侵蚀速率影响很大,如果能将离子入射角度约束在一定范围内则可明显提高推进器的寿命。在此基础上提出采用磁聚焦约束等离子体发散,提高推进器寿命的方法。并从理论分析、数值模拟和实验三方面证明了其可行性。针对全寿命实验的耗时长,但可靠性高的特点,本文提出一种新的加速实验方法:通过改变工艺加工新的高溅射产额材料,通过对新材料进行寿命实验反推实际壁面的演化过程,进而确定推进器的寿命。最后,通过本文建立的壁面侵蚀模型分析了Kim提出的机械加工壁面侵蚀加速实验方法中引入的误差随时间的变化。对该加速实验方法的实际应用起到指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及研究意义
• 1.1.1 Hall推进器技术发展及研究现状
• 1.1.2 Hall推进器寿命定义
• 1.1.3 Hall推进器寿命预测和壁面侵蚀加速实验课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容及章节安排
• 第2章 Hall推进器壁面侵蚀模型及模拟方法
• 2.1 引言
• 2.2 Hall推进器壁面形貌演化模型
• 2.2.1 轰击壁面的离子流模型
• 2.2.2 陶瓷壁面溅射侵蚀模型
• 2.3 Huygens子波方法
• 2.3.1 Huygens子波的几何性质
• 2.3.2 Hall推进器通道表面溅射侵蚀条件下的Huygens子波
• 2.4 本章小节
• 第3章 壁面形貌演化模拟结果和影响因素分析
• 3.1 引言
• 3.2 SPT-100 通道壁面形貌演化模拟
• 3.2.1 壁面侵蚀速率各影响因素分析
• 3.2.2 数值模拟结果和实验数据对比
• 3.2.3 Hall推进器寿命预测算例
• 3.3 通道壁面演化形貌影响因素分析
• 3.3.1 溅射阈值对壁面演化形貌的影响
• 3.3.2 角度分布对壁面演化形貌的影响
• 3.4 Hall推进器运行参数对推进器寿命的影响
• 3.5 壁面热流在减速侵蚀过程中的变化
• 3.6 本章小结
• 第4章 磁聚焦对Hall推进器寿命的影响
• 4.1 引言
• 4.2 磁聚焦对Hall推进器寿命影响的理论分析和数值模拟
• 4.2.1 磁聚焦约束离子束发散的理论分析
• 4.2.2 磁聚焦对Hall推进器寿命影响的数值模拟计算结果
• 4.3 磁聚焦对Hall推进器寿命影响的实验研究
• 4.3.1 实验仪器及验证方法
• 4.3.2 实验结果及后续实验建议
• 4.4 本章小结
• 第5章 Hall推进器壁面侵蚀加速实验方法研究
• 5.1 前言
• 5.2 陶瓷替代壁面侵蚀加速实验方法
• 5.2.1 陶瓷替代壁面侵蚀加速实验方法可行性分析
• 5.2.2 假设条件可行性分析及对材料的要求
• 5.3 机械加工方法壁面侵蚀加速实验研究
• 5.3.1 莫航壁面侵蚀加速实验方法
• 5.3.2 机械加工过程引入的误差分析
• 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