基本介紹
- 中文名：霍爾推力器
- 外文名：Hall Thruster
- 別名：霍爾效應推力器，霍爾電流推力器
- 類別：離子推力器
- 推進劑：氙、氡、氬、鉍、碘、鎂和鋅
- 特點：高比沖、高效率
- 套用：衛星位置保持和姿態控制領域
概述,霍爾推力器電漿磁鞘特性,霍爾推力器變電壓下電子能量平衡機制,霍爾推力器壽命實驗,發展概況,
概述
在太空飛行器推進中，霍爾推力器是離子推力器的一種，霍爾推力器有時也稱為霍爾效應推力器或霍爾電流推力器。霍爾推力器一般被認為是具有中等比沖(1600s)的空間推進技術。霍爾推力器自1960年代以來在理論和試驗研究上取得了很大進步。
X-2型霍爾推力器工作狀態
X-2型霍爾推力器工作狀態霍爾推力器可使用多種推進劑，最常用的是氙，其他推進劑包括氡、氬、鉍、碘、鎂和鋅。
霍爾推力器噴氣速度最大可達10-80km/s（比沖1000 - 8000s），但絕大多數型號噴氣速度在15-30km/s (比沖1500 - 3000s)。霍爾推力器推力與功率有關。1.35kw的推力器可產生83mN的推力。高功率型號在實驗室環境中推力達到了3N。100kW功率量級的氙氣霍爾推力器也已得到驗證。
霍爾推力器電漿磁鞘特性
由於霍爾推力器通道壁面表面積與容積比大，電漿與器壁的相互作用強。電漿和固體壁面發生作用時會形成電漿鞘層，鞘層中的高能電子與器壁材料撞擊會使得器壁發射出大量的二次電子，二次電子發射直接影響電漿鞘層特性，進而影響推進器的效率、比沖等性能指標。
隨著二次電子發射係數的增加，鞘層器壁電勢而升高，鞘層勢壘減弱，鞘層厚度減小；磁場大小及方向對推力器磁鞘的影響雖不顯著，但從趨勢上看磁場大小和方位角越大，鞘層中二次電子密度增加，鞘層電勢升高；對於氬和氙二種電漿，氙電漿產生的鞘層勢壘高，鞘層厚度和粒子密度大。可見，二次電子的磁化導致鞘層電勢分布，粒子密度空間分布和壁面二次電子流的改變，而這些變化將直接影響推力器電子傳導機制，進而影響推力器的效率。
霍爾推力器變電壓下電子能量平衡機制
儘管霍爾推力器具備相對較高的比沖，但是鑒於高比沖帶來的太空飛行器的高有效載荷率對於長周期飛行任務的太空飛行器和衛星具有重要意義，因此，隨著近年來長壽命衛星平台和深空探測等項目的開展在現有的基礎上進一步提高比沖，就成為了霍爾推力器發展的重要趨勢。研究表明，提高放電電壓能夠有效提高霍爾推力器的比沖。
電子能量的平衡過程，可以分為能量獲得與能量損失2個部分。在霍爾推力器放電通道內，電磁場對帶電粒子產生作用力並驅動粒子發生運動，因此，電磁場是電子能量的來源。同時在運動過程中，電子發生高頻率的碰撞（與中性原子的碰撞、與絕緣壁面的碰撞）。對於電子來說，由於其質量相對很小，彈性碰撞後其能量近似不變，但是實際發生的碰撞效應又往往是非彈性的，例如：電子與中性原子的碰撞伴隨著電離過程，而電子與絕緣壁面的碰撞又可能造成被壁面吸收或發射出低能量的二次電子等結果，這些非彈性碰撞就造成了電子的能量損失。
電子的能量獲得電子進入到霍爾推力器放電通道內的電磁場中，就會從電磁場中獲得能量。一般來說，入射電子的能量在1~10eV量級，而如果被壁面吸收，則能量完全損失；如果發生非彈性反射，但是未激發出二次電子，則能量損失的量級與電子原有能量的量級一致或更小；如果發射二次電子，則二次電子能量可以認為是入射能量的1/2或1/3，損失的量級也在1~10eV。
如果忽略微觀的迴旋效應，電子在通道中的運動可以看作是從通道出口到陽極的定向流動，這個定向流動伴隨著上述的能量平衡過程。某點的電子溫度實際上是該點到通道出口的軸向區域（即定向流動的“上游區域”）內電子能量獲得與損失的結果，與下游的物理過程無關。因此，最大電子溫度的影響因素就是最大電子溫度點上游區域電子的電場獲能和碰撞能量損失。
霍爾推力器壽命實驗
霍爾推力器放電室壁面輪廓受電漿的濺射削蝕直接影響其運行壽命，當埋置於絕緣陶瓷內的磁極由於濺射而裸露出來時，其壽命即宣告終止。實驗是考察霍爾推力器壽命的重要方法之一，通常採用多層塗層法、雷射測量法、光譜法等，並分為長壽命實驗和短壽命實驗，前者可以準確獲知某台推力器的運行壽命，缺點是實驗周期一般都在幾千甚至數萬小時；短壽命實驗周期短、花費少，但能得到的信息有限。
鑒於壽命實驗時間長耗資大，於是人們開始將目光投向非直接測量壁面輪廓的渠道，即通過建立合適的數學物理模型計算或通過較易獲取的物理量反推，直接或間接得到霍爾推力器放電室輪廓隨時間的變化，進而對其壽命進行預估，主要方法分為三類，即簡易解析模型法、半經驗模型法和數值模擬方法。
發展概況
霍爾推力器研究曾在美國和前蘇聯獨立開展，分別起始於1950年代和1960年代。但是，只在蘇聯這項研究產生了高效的推進裝置，而美國科學家則轉為研究離子推力器。
蘇聯研製的一款霍爾效應推力器
蘇聯研製的一款霍爾效應推力器前蘇聯發展了兩類霍爾推力器：（1）寬加速區的穩態電漿推力器SPT，Fakel設計局研製；（2）窄加速區的陽極層推力器TAL，中央機械研究院研製。
中國電火箭又取得了重大的進步。據報導，中國航天科技集團公司五院502所研製成功磁聚焦霍爾推力器，累計工作達1000小時，關鍵性能指標達國際一流水平。與此前曾報導持續工作達10000小時的國產離子電火箭相比，霍爾電火箭具有推力更大、小羽流發散角、高比沖、高效率、理論壽命更長的特點，適用於我國後續大型衛星平台對電推進的性能需求，該型火箭將可用於我國未來大型衛星平台。目前，美國、俄羅斯、歐洲在電火箭方面也在積極開展研究，中國在這方面是後起之秀，追趕速度很快。
