霍爾推力器中勵磁與放電耦合振蕩研究.pdf

1、為適應未來深空探測和星際旅行的技術需要，電推進裝置取代傳統(tǒng)化學推力器已經成為航天推進領域發(fā)展的必然趨勢?；魻柾屏ζ魇请娡七M的一種，作為典型的磁約束等離子體放電裝置其放電過程中必然伴隨著等離子體的各種不穩(wěn)定性問題，導致帶電粒子的損失或是輸運系數(shù)的增大，因此研究等離子體的各種不穩(wěn)定性，闡明其物理機理、特性以及探索穩(wěn)定化方法，一直是磁約束等離子體物理研究的一個中心課題。
　　霍爾推力器是具有典型的?→E×?→B正交電磁場位形的磁約束等離

2、子體放電裝置，電子在磁場束縛下沿環(huán)形通道做周向的霍爾漂移運動是霍爾推力器的典型特征，也是霍爾推力器概念形成的關鍵。周向霍爾漂移電流的振蕩及其伴生物理效應對霍爾推力器中等離子體放電過程以及推力器設計和性能優(yōu)化的影響是值得關注的基礎物理問題。本文通過實驗研究和理論分析的手段，以霍爾推力器中的等離子體振蕩問題為切入點，在實驗過程中首次發(fā)現(xiàn)霍爾推力器中由于電磁耦合過程所形成的一種新的等離子體振蕩模式—-勵磁/放電耦合振蕩。圍繞這種新的等離子體振

3、蕩現(xiàn)象對其形成的物理機理、頻率特征、影響因素以及該振蕩對推力器磁場設計及性能的影響開展相關研究工作。
　　首先從全面認識霍爾推力器中等離子體振蕩現(xiàn)象出發(fā)，針對推力器中幅值較大的放電低頻振蕩展開實驗研究工作。在低頻振蕩特性方面，利用探針測量手段描繪了羽流區(qū)等離子體參數(shù)低頻振蕩特性：羽流區(qū)低頻振蕩是通道內振蕩特性的表現(xiàn)，羽流區(qū)等離子體參數(shù)振蕩的頻率與放電低頻振蕩的頻率相同；在低頻振蕩時間尺度內，羽流區(qū)等離子體密度的振蕩在周向上是同步的

4、，在軸向上的相位差與離子的定向移動相關，表現(xiàn)為等離子體密度低頻振蕩在軸向上的傳播；一價離子由于電離過程相對二價離子更穩(wěn)定，因此一價離子振蕩與低頻振蕩頻率相同，而二價離子振蕩頻率復雜；在低頻振蕩抑制方面，研究了預電離機制對低頻振蕩的影響，提出緩沖腔預電離率的提高，提高了工質進入加速通道時離子的密度，相應的降低了通道入口處原子的密度，削弱了通道內電離過程的正反饋和負反饋的作用，是減小低頻振蕩的有效手段；在利用濾波器抑制低頻振蕩的研究中，首次

5、發(fā)現(xiàn)相同標稱值的電感由于其不同的實際特性導致對霍爾推力器低頻振蕩的控制能力不同，研究了濾波器電感特性與低頻振蕩之間的關系，描繪適合推力器濾波器應用的電感頻率特性。針對推力器中低頻振蕩特性、機理及抑制方法等相關問題的研究拓展了對霍爾推力器中等離子體振蕩問題的認識，填補了霍爾推力器等離子體振蕩研究的空白。
　　其次，從霍爾推力器放電過程中典型的基礎物理效應—霍爾漂移電流出發(fā)，在系統(tǒng)闡述霍爾推力器中靜態(tài)磁場位形設計的重要性及優(yōu)化磁場所具

6、有一般特征的基礎上，由電磁感應原理，評估了霍爾漂移電流振蕩與勵磁回路感應耦合對靜態(tài)磁場的影響程度，首次在實驗中發(fā)現(xiàn)由放電回路和勵磁回路耦合作用引起的霍爾推力器通道內的一種新的等離子體振蕩模式—勵磁/放電耦合振蕩。并通過變放電參數(shù)實驗、開路線圈測量實驗、通道內測量實驗等研究了勵磁/耦合振蕩的頻率特性，并結合線圈頻率特性測量實驗和理論分析闡明了勵磁/放電耦合振蕩的物理機理。
　　再次，通過串聯(lián)勵磁單因素分析手段結合實驗數(shù)據的處理方法研

7、究了不同放電電壓、不同出口區(qū)最大磁場強度下，勵磁/放電耦合振蕩的強度變化規(guī)律。在分析帶電電流環(huán)周圍的磁場分布的基礎上，首次在色散方程的推導中引入勵磁/放電耦合振蕩引起的磁場擾動項，定義勵磁/放電耦合振蕩強度系數(shù)，推導了考慮勵磁/放電耦合振蕩的色散公式。分析了不同耦合振蕩強度系數(shù)下，不穩(wěn)定增長率與放電參數(shù)的關系，其結果在趨勢上與實驗結果完全吻合。此外，通過對勵磁/放電耦合振蕩強度系數(shù)和色散關系的分析，結果表明勵磁/放電耦合振蕩強度與勵磁線

8、圈匝數(shù)、勵磁線圈導線橫截面積和導線電阻率相關；勵磁/放電耦合振蕩具有較大的周向波數(shù)且主要分布在幾MHz范圍內，拓展了對勵磁/放電耦合振蕩特性的認識。
　　最后，在對勵磁/放電耦合振蕩物理機理和特性全面認識的基礎上，從霍爾推力器靜態(tài)磁場設計安匝等效原則的局限性入手，利用不同匝數(shù)線圈形成的不同的勵磁/放電耦合振蕩強度差異，研究了勵磁/放電耦合振蕩對推力器宏觀性能的影響規(guī)律。隨著勵磁/放電耦合強度的增加，磁場波動的加劇，使霍爾推力器中電