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电离级对势阱式双级霍尔推力器影响研究

作　者: 张旭
导　师: 张昊春
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程热物理
关键词: 电势阱电离级离子输运放电电流特性双级霍尔推力器
分类号: V439.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

霍尔推力器是一种已工程应用近40年的电推进装置，以其高比冲、高效率的特点适用于航天器的轨道转移、姿态控制和阻力补偿等任务。随着航天器对推进装置要求的提高，霍尔推力器逐渐向大功率和多模式的方向发展，双级霍尔推力器应运而生。将推力器电离和加速过程分开的设计有利于实现推力器的多模式工作，可开发多种推进工质，降低推噪音等，但也引入了电离级预电离作用和电离与加速级间的离子输运问题。本文即针对电势阱式双级霍尔推力器电离级的电离作用原理和对离子输运的影响进行了实验研究。本文首先设计了一个便于分析以上问题的推力器平台，同时总结了设计过程中的原理和关键技术。通过理论上分析电势阱式双级霍尔推力器电离级的设计原理，结合推力器羽流控制磁聚焦技术经验，设计加工出新型双级霍尔推力器MAG-70。该推力器电离级具有势阱电离技术的结构特点，加速级具有磁聚焦技术的结构特点。研究发现，MAG-70单级工作时与HET-P70型号推力器工况相近，启动电离级后推力器能在大范围变工况下稳定放电，提供了针对电离级物理过程分析的实验平台。其次本文对推力器电离级内部物理过程进行实验研究。通过推力器磁路耦合问题的研究，设计出有效的磁路解耦合方案，可实现双级磁场的独立调节。之后利用朗缪尔探针对推力器双级放电中电离级内等离子体参数在变工况下进行测量。研究发现，磁感应强度及附加电势对电离级空间电势分布影响严重，电势阱的形成对电磁场环境有一定的阈值要求。同时实验验证了电子磁化程度决定电势阱形成效果的理论。本文同样对电离级的输运作用进行了实验研究。通过测量加速阳极截面的定向离子电流，分析了电离级工况变化对定向离子电流的影响问题，表明电离级电势阱的形成及轴向电势差与等离子体输运效果密切相关。通过结合对羽流区定向离子电流的测量，分析了电离级输运到加速级的离子和加速级喷出的离子受电离级工况的影响关系，解决了量化电离级电离和输运作用的问题。实验表明，推力器电离级工况可影响电离过程在双级间的分配，但对工质的电离利用率影响较小；较强的磁场能有效抑制电离级等离子体复合损失，使电离后工质更易输运到加速级。最后完成对双级推力器放电电流的特性，研究发现了放电电流在电离级和加速级间的分配特性，并结合本文第三章、第四章的实验，定性的解释了电磁场对电离级电流分配的影响。同时还发现电离级对推力器低频振荡的抑制作用，并从工质的预电离作用和磁场梯度的影响角度对该现象做了解释。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-23
  1.1 课题背景及研究意义  11-14
    1.1.1 课题来源  11
    1.1.2 课题研究背景及意义  11-14
  1.2 国内外研究现状及分析  14-21
    1.2.1 霍尔推力器双级化研究现状  14-17
    1.2.2 电势阱原理双级霍尔推力器的研究现状  17-19
    1.2.3 势阱式双级霍尔推力器关键问题分析  19-21
  1.3 论文主要研究内容和章节安排  21-23
第2章电势阱式霍尔推力器样机设计  23-47
  2.1 引言  23
  2.2 电离级工作原理与设计影响因素  23-30
    2.2.1 电势阱形成原理及设计思想  23-27
    2.2.2 电势阱形成影响因素分析  27-30
  2.3 加速级设计方法与磁聚焦技术  30-37
    2.3.1 HET-P70 型号霍尔推力器磁聚焦技术分析  30-36
    2.3.2 磁聚焦与势阱电离技术结合设计  36-37
  2.4 推力器磁路及结构设计  37-42
    2.4.1 磁路设计  37-39
    2.4.2 结构设计  39-40
    2.4.3 推力器冷态磁路及结构校核  40-42
  2.5 推力器稳定放电及性能实验  42-45
  2.6 本章小结  45-47
第3章电磁场对电离级影响研究  47-73
  3.1 引言  47
  3.2 磁路解耦合研究  47-53
    3.2.1 推力器的磁路耦合问题  47-48
    3.2.2 磁路解耦合实验方法理论  48-50
    3.2.3 磁路解耦合实验  50-53
  3.3 等离子体测量方法及实验设备  53-57
    3.3.1 等离子体探针诊断方法  53-56
    3.3.2 实验设备  56-57
  3.4 磁感应强度对电离级的影响  57-66
    3.4.1 实验方案  57-59
    3.4.2 实验现象及结果分析  59-64
    3.4.3 磁场对空间电势分布的影响机理  64-66
  3.5 附加电势对电离级的影响  66-72
    3.5.1 实验方案  66-67
    3.5.2 实验现象及结果分析  67-70
    3.5.3 实验分析  70-72
  3.6 本章小结  72-73
第4章电离级对推力器离子输运的影响  73-88
  4.1 引言  73-74
  4.2 电离级对离子运动的影响原理  74-76
    4.2.1 附加电势对等离子体的运动影响  74
    4.2.2 磁场对等离子体的运动影响  74-76
  4.3 电离级定向离子电流的研究  76-82
    4.3.1 定向离子电流测量方法  76-77
    4.3.2 磁场强度对定向离子电流的影响实验  77-81
    4.3.3 附加电势对定向离子的影响实验  81-82
  4.4 电离级离子电流与加速级的关系  82-86
    4.4.1 实验方案  82-84
    4.4.2 磁场强度变化的影响  84-85
    4.4.3 附加电势变化的影响  85-86
  4.5 本章小结  86-88
第5章电离级对推力器放电特性影响  88-103
  5.1 引言  88
  5.2 双级霍尔推力器放电电流特点  88-90
  5.3 推力器双级放电电流分配  90-95
    5.3.1 放电回路特性分析  90-91
    5.3.2 电离级对电流分配的影响实验  91-93
    5.3.3 实验分析  93-95
  5.4 电离级对放电低频振荡的影响  95-101
    5.4.1 推力器放电电流振荡理论  95-96
    5.4.2 电离级对低频振荡的影响实验  96-98
    5.4.3 低频振荡的抑制作用分析  98-101
  5.5 本章小结  101-103
结论  103-105
参考文献  105-110
攻读学位期间发表的学术论文  110-112
致谢  112-114
个人简历  114

电离级对势阱式双级霍尔推力器影响研究

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