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霍尔推力器绝缘壁面鞘层动态特性及其对近壁传导的影响

作　者: 张凤奎
导　师: 于达仁；刘金远
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 鞘层动态特性近壁电导霍尔推力器
分类号: V439
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 70次
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内容摘要

霍尔推力器以其体积小,重量轻,比冲高,寿命长等优点广泛应用于小卫星的姿态控制和轨道保持等方面。自从上个世纪七十年代诞生以来,霍尔推力器已经取得了很好的工程化应用。电子近壁传导是影响霍尔推力器工作性能的关键物理过程之一;电子的近壁传导机制决定了通道的电势分布特性,离子的加速特性,并最终影响到推力器的效率、寿命、比冲等性能。与电子的近壁传导行为密切相关的因素是鞘层。鞘层是推力器通道内放电产生的等离子体与绝缘壁面相互作用的自洽产物,鞘层内的电场分布影响电子在近壁面的运动行为,从而影响电子的近壁传导。近壁传导、鞘层以及两者之间的关系一直是各国学者关注和讨论的热点问题。然而,由于霍尔推力器工作物理过程的复杂性,当前关于电子近壁传导对电子电流的贡献作用的评估依然没有定论。本文发现这受限于当前对鞘层特性以及近壁传导机制的认识。基于此,本文开展了相关研究工作。首先,本文建立了计算鞘层和电子近壁传导行为的二维粒子模拟(Particel-In-Cell, PIC)模型。由于鞘层的小尺度特性,具有众多优势的PIC方法成为本文问题的研究工具。其次,通过模拟本文发现了电子温度对鞘层的二维动态特性的影响规律。当电子温度较低时,二次电子发射系数小于1,鞘层具有一维稳态经典鞘层的特性。随着电子温度的升高,二次电子发射系数增大,鞘层开始在时间上周期性振荡,振荡频率为电子等离子体频率量级,然而此时二次电子发射系数仍然小于1。当电子温度继续升高使得二次电子发射系数在1附近时,鞘层开始在空间上出现振荡;此时,鞘层不仅保持着原有的在时域上的振荡,而且鞘层电势在空间上出现起伏,空间周期尺度为电子静电波波长量级。继续提升电子温度使得二次电子发射系数大于1之后,鞘层进入空间电荷饱和状态。继而,本文发现鞘层的不同状态对电子的近壁传导有着重要影响。当鞘层还未进入空间振荡状态前,即在经典状态和时域振荡的状态下,模拟发现电子只能通过与壁面碰撞发射二次电子产生传导,这种壁面发射的传导电流大小与古典传导(即电子与重粒子的碰撞传导)电流在同一数量级;因此和众多研究者得到的结论一样:近壁传导率太低,不足以解释实验中发现的大电子电流。然而,当鞘层进入空间振荡状态之后,鞘层电场出现非法向分量,此时不能克服鞘层势垒打到壁面参与传导的电子在鞘层的非法向反射作用下参与了近壁传导。由于这部分电子的数目相当可观,因此近壁传导电流较之古典传导电流增大了一个数量级,这一效应足以解释实验测量的电子电流。目前,鞘层影响近壁传导行为的这一特性还没有被他人提出。最后,本文发现无论鞘层处于何种状态,近壁传导电流的大小都与电场强度成正比,与磁场强度的平方成反比,从而进一步验证了近壁传导作为穿越磁场的“碰撞传导”理论的正确性。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-7
符号表  7-15
第1章绪论  15-38
  1.1 课题研究的背景与意义  15-18
  1.2 霍尔推力器研究现状  18-22
  1.3 绝缘壁面鞘层的研究现状  22-31
    1.3.1 吸收壁面鞘层  22-26
    1.3.2 发射壁面鞘层  26-29
    1.3.3 霍尔推力器绝缘壁面鞘层的研究现状  29-31
  1.4 霍尔推力器内近壁传导  31-37
    1.4.1 霍尔推力器近壁传导的研究现状  31-36
    1.4.2 霍尔推力器近壁传导的影响因素  36-37
  1.5 课题研究的主要内容  37-38
第2章霍尔推力器二维鞘层的粒子模拟方法建模  38-60
  2.1 引言  38
  2.2 鞘层的研究方法  38-42
    2.2.1 磁流体描述方法  39-40
    2.2.2 动力论描述方法  40-42
  2.3 霍尔推力器壁面鞘层的特性  42-45
  2.4 霍尔推力器绝缘壁面鞘层二维粒子模型的建立  45-59
    2.4.1 霍尔推力器绝缘壁面鞘层的二次电子发射模型的建立  45-48
    2.4.2 霍尔推力器绝缘壁面鞘层的二维粒子模型的建立  48-54
    2.4.3 霍尔推力器绝缘壁面鞘层的边界条件  54-59
  2.5 本章小结  59-60
第3章霍尔推力器绝缘壁面鞘层的粒子模拟  60-91
  3.1 引言  60-61
  3.2 霍尔推力器绝缘壁面稳态鞘层的特性  61-69
    3.2.1 不同电子温度下稳态鞘层的特性  63-67
    3.2.2 不同离子入射速度下稳态鞘层的特性  67-69
  3.3 霍尔推力器绝缘壁面饱和鞘层的特性  69-78
    3.3.1 不同电子温度下饱和鞘层的特性  73-76
    3.3.2 不同离子入射速度下的饱和鞘层的特性  76-78
  3.4 霍尔推力器绝缘壁面鞘层的稳定性  78-90
    3.4.1 霍尔推力器中时间振荡鞘层  79-85
    3.4.2 霍尔推力器中鞘层一维稳定性的物理描述  85-86
    3.4.3 霍尔推力器中空间振荡鞘层  86-90
  3.5 本章小结  90-91
第4章磁场和壁面条件对鞘层特性影响的数值模拟  91-119
  4.1 引言  91-92
  4.2 磁场对二维鞘层特性的影响  92-100
    4.2.1 磁场对经典鞘层影响  92-94
    4.2.2 磁场对饱和鞘层的影响  94-96
    4.2.3 磁场对鞘层动态特性的影响  96-100
  4.3 绝缘壁面条件对二维鞘层的影响  100-111
    4.3.1 Morozov 的SEE 模型  102-105
    4.3.2 考虑弹性反射效应修正的Morozov 的SEE 模型  105-106
    4.3.3 Furman and Piv 的模型  106-111
  4.4 壁面条件对鞘层特性的影响  111-117
    4.4.1 壁面条件对经典鞘层和饱和鞘层的影响  111-114
    4.4.2 壁面条件对鞘层动态特性的影响  114-117
  4.5 本章小结  117-119
第5章鞘层对电子与壁面相互作用及近壁电导的影响  119-148
  5.1 引言  119-120
  5.2 霍尔推力器通道内电子横越磁场的传导机制  120-127
    5.2.1 电子碰撞传导机理  121-122
    5.2.2 电子玻姆传导机理  122-123
    5.2.3 电子近壁传导机理  123-125
    5.2.4 近壁传导理论存在的争议  125-127
  5.3 二维粒子模拟鞘层作用下的近壁电导模型  127-128
  5.4 经典鞘层下电子与壁面相互作用及近壁电导  128-133
  5.5 时间振荡鞘层下电子与壁面相互作用及近壁电导  133-139
  5.6 空间振荡鞘层下电子与壁面相互作用及近壁电导  139-147
    5.6.1 空间振荡鞘层时域特性对近壁电导的影响  139-142
    5.6.2 空间振荡鞘层空间特性对近壁电导的影响  142-147
  5.7 本章小结  147-148
结论  148-150
参考文献  150-162
攻读学位期间发表的学术论文  162
攻读博士学位期间参与的科研项目  162-164
致谢  164-165
个人简历  165

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