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磁聚焦影响霍尔推力器壁面腐蚀的研究

蔡宁泊  
【摘要】:霍尔推力器是一类先进的电推进装置,以其高效率、高比冲和高可靠性等优点已经广泛应用于卫星的位置保持和姿态控制,并成为世界各航天大国电推进装置研究中的热点。近年来随着航天技术的不断发展,对霍尔推力器的寿命提出了更高的要求,而限制推力器寿命的诸多因素中,高能离子对通道壁面的溅射侵蚀最为严重,被认为是影响推力器寿命的最主要因素,需要引起研究者的广泛关注。 调节磁场可以对入射壁面的离子特性进行有效控制。聚焦良好的磁场位形能够有效控制通道内离子束流特性,减小羽流发散角,提高推力器工作性能,同时对壁面腐蚀产生明显的影响。本文围绕磁聚焦对霍尔推力器壁面腐蚀特性的影响展开研究工作,通过数值模拟和实验方法论证了磁聚焦程度在提高推力器寿命方面的重要作用,主要包括以下内容: 本文第二章首先对壁面腐蚀的原理进行了分析,从腐蚀模型中提取出决定腐蚀速率的离子参数,然后分别对这几个参数进行分析。其次文章总结了霍尔推力器中磁聚焦的基本原理,得出调节磁场可以改变通道中电势分布的结论。接下来利用PIC数值模拟方法统计了不同磁场条件下入射壁面的离子流参数变化,从模拟结果中发现,改变磁聚焦程度后主要对入射壁面的离子束流密度影响很大,而改变磁场强度后对壁面溅射的影响不大。文章通过分析通道中的离子密度中心区域分布和电势分布解释了磁聚焦程度影响壁面腐蚀强度的原因。最后,采用Ⅱuygens壁面演化程序对不同磁场条件下的壁面形貌演化过程进行模拟,发现改变磁场对内外壁面腐蚀产生不同影响,而聚焦良好的磁场位形可使内外壁面腐蚀强度都处在较低的水平。 第三章通过实验手段来测量磁聚焦程度对外壁面离子入射参数的影响。首先实验得出当磁聚焦程度改变时,羽流发散角、放电电流及工质利用率的变化规律。其次,通过给外壁面开缝,将一部分离子引出到通道外进行测量,从而得到外壁面处离子入射参数随磁聚焦程度的变化情况。结果表明磁聚焦对离子流密度的影响较大,而对离子能量的影响较小,和数值模拟相吻合。最后,利用光谱方法对不同磁聚焦程度下推力器整体的腐蚀强度进行了测量。结果表明当磁聚焦良好时通道内的腐蚀强度很低,从另一角度证实磁聚焦对提高推力器寿命的作用。 第四章针对磁场聚焦和发散两种工况进行了短时间的壁面腐蚀对比实验,研究磁聚焦程度对内外壁面的形貌演化和腐蚀不对称性的影响。由实验结果得出磁场聚焦条件下,内外壁面都呈现出稳定的演化方式,轮廓曲线为外凸型;磁场发散时,内外壁面呈现出不稳定的演化方式,轮廓曲线为内凸型。磁场聚焦能够有效降低外角的腐蚀速率,从而提高整个推力器的寿命。在不同的磁场位形下内外壁面腐蚀都体现出明显的不对称性,内壁面的腐蚀速率远大于外壁面。分析了推力器磁极设计、环形通道结构、外角演化特性及磁镜效应等因素对内外壁面不对称腐蚀的影响。


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