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变截面通道霍尔推力器的理论及实验研究

作　者: 武海峰
导　师: 于达仁
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 霍尔推力器设计自由度变截面通道电离磁场匹配放电稳定性
分类号: V439.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 13次
引　用: 1次
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内容摘要

霍尔推力器具有高效率、高比冲的优点,在卫星的位置保持和姿态控制中得到了广泛应用。在进一步的性能优化中,按照现有的单一磁场设计手段,无法解决工质充分电离和推力器热饱和这一技术矛盾,因此探索新的推力器设计自由度逐渐成为国际上的研究热点。本文提出了一种新的设计自由度——变截面通道设计方法。这一设计方法可以弥补传统单一的磁场设计方法的不足,实现对工质气体流动状态及电离过程的有效控制,同时给出了具体的变截面通道的设计步骤以及特征参数的选取。实验研究了变截面通道对工质电离过程及推力器性能的影响。研究发现,突变型通道影响工质的电离过程,拓展了推力器的稳定工作范围。采用渐变型通道,电离区展宽严重,呈现出双峰特征;电子的壁面冷却效应增强。采用渐变型通道最明显的特征是存在最优流量工作点,此流量下推力器的效率最高,这符合推力器的功率平衡原理。实验研究了变截面通道与磁场的优化匹配规律。研究发现渐变型通道与等截面通道下的最优磁场存在一一对应关系:可以利用面容比实现两种通道下工作流量的转换,利用电离区原子密度实现两种通道所对应的最优磁场的最大磁场强度的转换。从多个角度研究了变截面通道对推力器放电稳定性的影响。实验研究发现变截面通道影响推力器的放电稳定性;通过建立含有变截面因素的一维流体模型,对推力器的放电过程进行了仿真模拟,复现了实验现象;建立了放电系统的线性状态方程,从数学上解释了通道构型对推力器放电稳定性的影响规律;最后分析了变截面通道对推力器放电稳定型影响的物理机制。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 研究背景及意义  9-13
    1.1.1 研究背景  9-11
    1.1.2 变截面通道霍尔推力器的研究意义  11-13
  1.2 国内外研究现状及分析  13-15
    1.2.1 工质气体电离研究现状  13-15
    1.2.2 变截面通道霍尔推力器研究现状  15
  1.3 论文的主要内容及章节安排  15-17
第2章变截面通道设计方法分析  17-21
  2.1 引言  17
  2.2 变截面通道设计方法  17-18
  2.3 变截面通道设计的影响因素  18-20
    2.3.1 变截面通道对电子的近壁传导产生重要影响  18-19
    2.3.2 变截面通道设计须符合推力器相似设计理论的要求  19-20
  2.4 变截面通道设计方法的特点  20
  2.5 本章小结  20-21
第3章变截面通道对工质电离过程影响的实验研究  21-46
  3.1 引言  21
  3.2 实验装置及参数测量方法  21-26
    3.2.1 实验平台简介  21-22
    3.2.2 推力的测量方法  22
    3.2.3 离子平均速度的测量方法  22-23
    3.2.4 羽流发散角的测量方法  23-24
    3.2.5 通道内电离速率的测量方法  24-26
  3.3 基于充分电离相似准则的目标流量的选取  26-27
  3.4 突变型通道对工质电离过程的影响  27-31
    3.4.1 突变型通道的设计  27-28
    3.4.2 突变型通道下电离区的位置和宽度  28-29
    3.4.3 突变型通道对推力器性能的影响  29-31
  3.5 渐变型通道对电离过程的影响  31-37
    3.5.1 渐变型通道的设计  31
    3.5.2 DSMC原子密度模拟  31-32
    3.5.3 渐变型通道对电离区位置和宽度的影响  32-34
    3.5.4 渐变型通道对推力器性能的影响  34-37
  3.6 变截面通道下最优流量工作点存在性分析  37-44
    3.6.1 推力器效率的能量平衡表示  38-40
    3.6.2 电子的壁面损失功率随质量流量的变化规律  40-43
    3.6.3 离子的壁面损失功率随质量流量的变化规律  43-44
    3.6.4 最优流量工作点的求取  44
  3.7 突变型通道与渐变型通道优缺点分析  44-45
  3.8 本章小结  45-46
第4章变截面通道与磁场的匹配规律研究  46-60
  4.1 引言  46
  4.2 霍尔推力器磁场要素的分析  46-48
    4.2.1 磁场强度  46-47
    4.2.2 磁场梯度  47-48
  4.3 突变型通道与磁场的匹配规律  48-51
    4.3.1 突变型通道下最优磁场的特点  48-50
    4.3.2 突变型通道与等截面通道下最优磁场的对比研究  50-51
    4.3.3 突变型通道与磁场的匹配规律  51
  4.4 渐变型通道与磁场的匹配规律  51-58
    4.4.1 渐变型通道下最优磁场的特点  51-53
    4.4.2 渐变型通道与等截面通道下最优磁场的相似研究  53-58
    4.4.3 渐变型通道与磁场的匹配规律  58
  4.5 本章小结  58-60
第5章变截面通道对推力器放电稳定性的影响  60-72
  5.1 引言  60
  5.2 变截面通道对放电稳定性影响的实验研究  60-62
    5.2.1 实验设计及测量装置  60-61
    5.2.2 实验结果及分析  61-62
  5.3 变截面通道对放电稳定性影响的仿真研究  62-65
    5.3.1 建立含有变截面因素的一维流体模型  62-63
    5.3.2 仿真结果及分析  63-65
  5.4 变截面通道对放电系统稳定性的数学分析  65-68
    5.4.1 建立系统的小偏差线性化建模  65-67
    5.4.2 基于特征根的系统稳定性分析  67-68
  5.5 变截面通道对放电稳定性影响的物理机制  68-69
  5.6 变截面通道下维持放电稳定的条件  69-71
  5.7 本章小结  71-72
结论  72-74
参考文献  74-78
攻读学位期间发表的学术论文及其他成果  78-80
致谢  80

变截面通道霍尔推力器的理论及实验研究

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