霍尔推力器中背景磁场对电子行为影响的数值研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:pangzhu311
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在目前的航天电推力器中,应用最广泛、技术最成熟的电推力器之一是霍尔推力器,它可作为空间航天器的姿态控制、轨道修正、轨道转移、动力补偿等控制装置,也可作为空间探测和星际航行的主推力器。由于离子的拉莫尔半径远远大于推力器的特征长度,因此霍尔推力器内的磁场主要对电子产生作用,而对离子的作用不明显。电子是霍尔推力器中的直接可控因素,可以通过对霍尔推力器中磁场位形的设计来控制电子的行为。在本文中研究ATON型霍尔推力器,基于电磁学理论,建立二维数学模型,分别用四种迭代方法对霍尔推力器背景磁场进行了计算,得到霍尔推力器中等离子体背景磁场的相应数值解。通过对数值结果的分析与比较,对这四种迭代方法的计算效率进行研究得出最优的方法—逐行逐列Gauss-Seidel迭代法。在推力器的一些区域中,等离子体和推力器壁面发生相互作用也是电子和壁面的作用最为复杂。当电子与推力器的陶瓷绝缘壁面反复作用时会对壁面造成严重腐蚀以及影响工作气体的电离效率,这样会对推力器的工作效率及其使用寿命有很大影响。文中用计算所获得的磁场作为霍尔推力器中等离子体的背景磁场,基于等离子体流体理论,建立二维流体模型,在电子时间尺度下数值计算了霍尔推力器中喷口陶瓷壁附近电子密度、电子速度、电子温度随时间的演化。由于在电子时间尺度下离子对场的响应不敏感,则在研究电子行为时考虑离子是静态的。通过对数值结果进行物理分析表明:当磁场从阳极向出口增加到最大时,电子密度逐渐减少,且达到最小值;电子密度的非均匀性分布随着磁场梯度的增加在内壁附近逐渐降低直至消失,外壁附近情况相反;电子与壁面相互作用,内壁较外壁剧烈;电子环向速度的变化是磁场与电场共同作用的结果;磁场梯度的存在会增加电子轴向速度,且磁场强度较大处电子被很好束缚;由于磁场对电子约束作用,电子横越磁场的难度随着磁场增强而变强。
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