脈衝高壓霍爾電漿推進器的研究

《脈衝高壓霍爾電漿推進器的研究》是依託核工業西南物理研究院，由唐德禮擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：脈衝高壓霍爾電漿推進器的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：唐德禮
• 依託單位：核工業西南物理研究院

項目摘要

霍爾電流電漿推進器由於具有高效率、高比沖和長壽命等優點，在歐美等已開發國家已經廣泛用於為人造衛星的位置保持和變軌等提供動力。本項目主要研究基於陽極層放電和加速的脈衝高壓霍爾電漿推進器，其電漿放電和加速均發生在陽極前端的陽極層內，它避免了延長加速區刻蝕所導致的推進器壽命降低。中頻脈衝放電可有效提高電漿放電電壓，使放電電壓提高到500-1000V。且脈衝放電可以主動抑制弧光放電對磁極的刻蝕。高放電電壓產生的高能量束流可有效減少推進器羽流發散角，提高推進器推力。本項目主要通過數值模擬和實驗相結合的方法研究脈衝高壓霍爾電漿推進器。建立脈衝高壓電漿放電的物理和數值模型，對脈衝放電和高壓加速區電漿產生和輸運進行模擬，掌握脈衝高壓電漿放電特性和加速機理，建立一台2kW脈衝高壓電漿推進器，實驗研究適合於脈衝高壓電漿放電的磁鏡場結構、強度和位型。

結題摘要

對放大尺寸(出口直徑150 mm)的圓柱形陽極層霍爾電漿加速器進行了實驗和數值研究。實驗發現此霍爾電漿加速器工作穩定，可以在較高的功率上運行(大於3KW)，電流利用率較高，可超出90%，工作電壓範圍很寬，可在300-2000v間工作。束流匯聚性良好。在較低氣壓(0.03Pa)下，可得到半高寬40 mm左右的離子束流。通過對圓柱形陽極霍爾電漿加速器進行三維Particle in Cell數值模擬，發現在陽極附近，由磁場決定的離子發射面導致了聚中束流的產生，同時模擬發現只有很少的離子與壁碰撞，從而產生較高的引出效率。在更高的氣壓下模擬，發現了電子密度、軸向電場和離子束輸出的呼吸式振盪，不同於傳統的因為中性氣體消耗和補充出發的呼吸效應，模擬得到的電漿呼吸振盪完全由聚中束流引發的較高的空間電勢觸發。靠近陽極處的軸向電場被聚中束產生的空間電勢所壓制，產生大幅度的降低，從而引發電子密度減少47%。較高氣壓下聚中的離子束會最終爆裂，隨後放電恢復到常態並引發下一個循環，模擬得到的純電勢驅動的呼吸效應的頻率為~167 kHz – ~250 kHz，並且隨著放電電壓的升高而降低。